JP2008072041A - 有機半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】有機半導体を用いた電子素子を製造する時に、劣化した有機半導体と溶媒とを接触させ、前記有機半導体の半導体特性を回復させる半導体特性回復工程を行う。
【選択図】なし
Description
有機半導体は、優れた特性を有する材料として、様々な有機半導体素子に利用されており、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)においても、多く用いられている。
即ち、電界効果トランジスタは、ゲート電圧に依存したソース電極−ドレイン電極間の電流を制御する可変スイッチのような動作をする。
また、有機半導体材料は、そのバリエーションが豊富であり、分子構造を変化させることにより、容易に材料特性を変化させることが可能である。そのため、異なる機能を組み合わせることで、従前のシリコン等の無機半導体では不可能な機能、素子を実現することができる。
〔I−1.基本構成〕
図1(a),(b)は、本発明の実施形態にかかる有機電界効果トランジスタの例を模式的に表わす図である。図1(a)は有機電界効果トランジスタを上方からみた模式的な平面図であり、図1(b)は図1(a)のa−a’面における模式的な断面図である。
ソース電極1とドレイン電極2とは、互いに接触しないように、且つ、有機半導体層5にそれぞれ接するように設けられている。また、ゲート電極3は、ゲート絶縁層4によってソース電極1、ドレイン電極2、及び有機半導体層5から隔てられるように設けられる。更に、これらの構成要素は基板6によって支持されている。
基板6上に、電界効果トランジスタの用途等に応じて所望の形状に形成したゲート電極3を設ける(図2(a)参照)。以下、基板6、ゲート電極3、及びゲート電極3の形成方法について説明する。
基板6の材料は、その上に設けられる有機電界効果トランジスタの各構成要素を支持できるものであれば、特に制限されない。例としては、公知のガラス、ポリシロキサン等の無機基板、及び各種有機ポリマー等の有機基板が挙げられる。これらのうち、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルスルフォン、エポキシ樹脂、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリパラバン酸、ポリシルセスキオキサン、及びポリオレフィン等のビニル系ポリマー等の有機ポリマーが好適である。中でも、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリパラバン酸等の縮合系ポリマーや、ポリビニルフェノール等の架橋体が、耐熱性や耐溶剤性の点から好ましく、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾールが更に好ましく、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、又はポリイミドが特に好ましい。これらの材料は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の比率及び組み合わせで併用してもよい。
具体的に、例えば、有機ポリマーを主材料とする基板6の場合は、0.05〜0.1mm程度とし、ガラス、シリコン等を主材料とする基板6の場合は、0.1〜10mm程度とすることが好ましい。
ゲート電極3の構成材料としては、導電性を示す材料であれば特に制限されず、公知の材料を任意に選択して用いることができる。ゲート電極の材料の例としては、白金、金、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属、InO2、SnO2、ITO等の導電性金属酸化物、樟脳スルホン酸がドープされたポリアニリン、パラトルエンスルホン酸がドープされたポリエチレンジオキシチオフェン等の、ドープされた導電性高分子、及び、カーボンブラック、グラファイト粉、金属微粒子等がバインダーに分散されてなる導電性複合材料等が挙げられる。これらの材料は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の比率及び組み合わせで併用してもよい。
ゲート電極3は、例えば、真空蒸着法、スパッタ法、塗布法、ゾルゲル法等により一様な電極材料の膜が形成される。膜を形成した後に、その膜をパターニングする。パターニングの方法としては、例えば、ウェットあるいはドライエッチングを利用したものが挙げられ、中でも、フォトレジストのパターニングとエッチング液や反応性のプラズマでのエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法、マイクロコンタクトプリンティング等のソフトリソグラフィー法、リフトオフ法、及びこれらの手法を複数組み合わせた手法等が挙げられる。また、レーザーや電子線等のエネルギー線を照射して材料を除去することや材料の導電性を変化させることにより、直接パターンを形成する、レーザーアブレーション法も可能である。さらには、予め所望のパターンで電極材料を塗布する、インクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、及び凸版印刷等の印刷法も可能である。
なお、ゲート電極3を設けるのと同時に、ソース電極1やドレイン電極2(共に、後に詳述する)と接続され、電子回路を配線するための配線部7を設けることもできる。
配線部7は、導電性を示す材料であれば、公知の材料を任意に選択して用いることができる。さらに、これらの材料は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の比率及び組み合わせで併用してもよい。ただし、配線部7はゲート電極3と同じ素材で形成されることが好ましい。また、配線部7のパターニングの方法は、ゲート電極3をパターニングすることができる何れの方法でも行うことができるが、基板上6に設けられたゲート電極3と同じ方法でパターニングすることが好ましい。製作工程が複雑になり、コスト高になるのを避けるためである。
ゲート電極3が設けられた基板6上に、ゲート絶縁層4を設けてパターニングする(図2(b)参照)。以下、ゲート絶縁層4、及びゲート絶縁層4の形成方法について説明する。
ゲート絶縁層4は、ソース電極1、ドレイン電極2、及び有機半導体層5と、ゲート電極3とを電気的に絶縁する層である。
ゲート絶縁層4は、例えば、CVD法(Chemical Vapor Deposition法・化学気相成長法)、スパッタ法、真空蒸着法、スピンコーティング法等の塗布法、溶液キャスティング法等により、一様なゲート絶縁層4の材料の膜として形成される。また、通常は膜を形成した後に、その膜をパターニングする。パターニングの方法としては、例えば、ウェットあるいはドライエッチングを利用したフォトリソグラフィー法、光硬化樹脂を用いて所望のパターンに露光して硬化する方法、及びこれらの手法を複数組み合わせた手法等が挙げられる。また、レーザーや電子線等のエネルギー線を照射して材料を除去することにより、直接パターンを形成する、レーザーアブレーション法も可能である。
別のパターニングの方法としては、予め所望のパターンでゲート絶縁層4の材料を塗布する、インクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、及び凸版印刷等の印刷法も可能である。
ゲート絶縁層4を設けた後に、その上層に、パターニングによって所望の形状にしたソース電極1及びドレイン電極2を設ける(図2(c)参照)。以下、ソース電極1、ドレイン電極2、並びにソース電極1及びドレイン電極2の形成方法について説明する。
ソース電極1及びドレイン電極2の構成材料としては、ゲート電極3の場合と同様、導電性を示す材料であれば特に制限されず、公知の材料を任意に選択して用いることができる。ソース電極1及びドレイン電極2の材料の例としては、白金、金、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、コバルト、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属、InO2、SnO2、ITO等の導電性金属酸化物、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、等の導電性高分子や有機半導体及びそのドーピングされた材料、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、等の半導体及びそのドーピングされた材料、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト等の炭素材料、及び、カーボンブラック、グラファイト粉、金属微粒子等がバインダーに分散されてなる導電性複合材料等が挙げられる。これらの材料は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の比率及び組み合わせで併用してもよい。
ソース電極1及びドレイン電極2は、ゲート電極3と同様、例えば、真空蒸着法、スパッタ法、塗布法、ゾルゲル法等により一様な電極材料の膜が形成される。膜を形成した後に、その膜をパターニングする。パターニングの方法としては、例えば、ウェットあるいはドライエッチングを利用したものであって、中でも、フォトレジストのパターニングとエッチング液や反応性のプラズマでのエッチングを組み合わせたフォトリソグラフィー法、マイクロコンタクトプリンティング等のソフトリソグラフィー法、リフトオフ法、及びこれらの手法を複数組み合わせた手法等が挙げられる。また、レーザーや電子線等のエネルギー線を照射して材料を除去することや材料の導電性を変化させることにより、直接パターンを形成する、レーザーアブレーション法も可能である。
別のパターニングの方法としては、予め所望のパターンで電極材料を塗布する、インクジェット印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷、及び凸版印刷等の印刷法も可能である。
有機電界効果トランジスタは、ソース電極1及びドレイン電極2で挟まれるチャネル部分の電流をゲート電極3により制御して、スイッチング或いは増幅の動作をする。このチャネル部分の長さ(即ち、ソース電極1とドレイン電極2とのギャップ間隔)は、一般に狭いほどトランジスタとしての特性が上昇するが、狭過ぎるとオフ電流が増加したり、オンオフ比が小さくなる、いわゆるショートチャンネル効果が生じる傾向がある。また、チャネルの幅(即ち、ソース電極1とドレイン電極2との間の領域の幅)が大きくなると、大きな電流を流せるようになるという点で好ましいが、大き過ぎると素子の面積が大きくなり、集積化の面で不利になる場合がある。なお、ソース電極1及びドレイン電極2を櫛型電極にすることにより、長いチャネル長を得ることができる。
また、チャネルの幅は、通常500nm以上、中でも5μm以上、更には10μm以上、また、通常20mm以下、中でも5mm以下、更には1mm以下の範囲であることが好ましい。
ソース電極1及びドレイン電極2を設けた後に、その上層に有機半導体層5を設ける(図2(d)参照)。以下、有機半導体層5、及び有機半導体層5の形成方法について説明する。
有機半導体層5の材料となる有機半導体材料としては、有機物を主成分とする半導体であれば特に制限されず、任意の材料を使用することができる。具体例としては、ナフタセン、ペンタセン、ピレン、フラーレン等の縮合芳香族炭化水素、α−セキシチオフェン等のオリゴマー類、フタロシアニンやポルフィリン等の大環状化合物、α−セキシチオフェンやジアルキルセキシチオフェンに代表される、チオフェン環を4個以上含むオリゴチオフェン類、或いは、チオフェン環、ベンゼン環、フルオレン環、ナフタレン環、アントラセン環、チアゾール環、チアジアゾール環、ベンゾチアゾール環を合計4個以上連結したもの、アントラジチオフェン、ジベンゾチエノビスチオフェン、α,α’−ビス(ジチエノ[3,2−b’:2’,3’−d]チオフェン)等の縮合チオフェン及びその誘導体、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボンサンジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の、芳香族カルボン酸無水物やそのイミド化物、銅フタロシアニン、パーフルオロ銅フタロシアニン、テトラベンゾポルフィリン及びその金属塩等の大環状化合物、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリチエニレンビニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリフェニレン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、特に、レジオレギュラーポリチオフェンのような自己組織化を示すものや、ポリフルオレンやその共重合体に代表される液晶性を示す高分子等が挙げられる。これらの有機半導体材料は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の比率及び組み合わせで併用してもよい。また、有機半導体材料のみを用いてもよいが、有機半導体材料以外の材料と混合して用いることもできる。更には、異なる材料からなる複数の層の積層構造として用いることも出来る。
有機半導体層5は、上述の有機半導体材料等の材料を種々の方法で製膜することにより、形成することができる。例えば、有機半導体層5を真空プロセスで形成することが出来る。
この場合は、有機半導体材料をルツボや金属のボートに入れて真空中で加熱し、基板等に付着させる真空蒸着法を用いることが出来る。この際、真空度としては、1×10-3Torr以下、好ましくは1×10-5Torr以下である。なお、1Torr≒133Paである。また、基板温度でトランジスタの特性が変化するので、最適な基板温度を選択することが望ましいが、通常0℃以上、200℃以下の範囲が好ましい。また、蒸着速度は通常0.01Å/秒以上、好ましくは0.1Å/秒以上、また、通常100Å/秒以下、好ましくは10Å/秒以下の範囲が用いられる。材料を蒸発させる方法としては、加熱の他、加速したアルゴン等のイオンを衝突させるスパッタ法も用いることが出来る。
有機半導体層5を設けた後に、その上層の所望の部位にマスク8を設ける(図2(e)参照)。〔I−5.有機半導体層の製膜工程〕で形成した有機半導体層5にエッチング処理を施すに際して、有機半導体層5の劣化を極力避ける保護層として機能するからである。以下、マスク8、及びマスク8の形成方法について説明する。
マスク8の材料は、エッチング処理に際して所望の部位の有機半導体層を保護できるものであれば特に制限されないが、例えば、フォトレジスト、パターニングした金属膜、パターニングした酸化物膜、パターニングした窒化物膜、パターニングしたポリマー膜等が挙げられる。なお、これらの材料は、何れか一種を単独で用いてもよく、二種以上を任意の比率及び組み合わせで併用してもよい。
形成した有機半導体層5にエッチング処理を施して、有機半導体層5の不必要な部分を除去する(図2(f)参照)。以下、有機半導体層5のエッチング方法について説明する。
有機半導体層5のエッチング処理は、例えば、酸素プラズマ等を用いた反応性イオンエッチング法(RIE法)、溶媒によるエッチング法、逆スパッタ法、Ar等のイオン粒子をぶつけるイオンミル法、プラズマエッチング法(電子サイクロトロン共鳴方式、高周波方式等)、スパッタエッチング法、及びこれらの手法を複数組み合わせた手法等が挙げられる。また、レーザーや電子線等のエネルギー線を照射して材料を除去することや材料の導電性を変化させることにより、直接パターンを形成する、レーザーアブレーション法も可能である。
有機半導体層5のパターニング処理により劣化した、有機半導体層5の半導体特性を、溶媒に接触させることで回復させる。
一般的に、有機半導体層5のエッチング処理等を施された部分は、活性種又はエネルギーが作用することにより、有機半導体層5の一部又は全部の劣化が引き起こされる。劣化が生じている部分では、ゲート電極3によって電圧を印加していない状態であっても、半導体中のキャリア密度が回復し、高電導層が形成され、半導体特性が悪化することが多い。
このような劣化に対して、半導体特性回復工程を行えば、半導体特性を回復させることができる。半導体特性回復工程とは、劣化した有機半導体層5に溶媒を接触させる工程であり、この工程を経ることで劣化した有機半導体層5の半導体特性が回復する。
中でも、有機半導体層5をパターニングしたことによる劣化に対して、特に顕著に半導体特性の回復を示す。以下、劣化した有機半導体層5の半導体特性を回復させる、半導体特性回復工程について詳細に説明する。
半導体特性回復工程は、溶媒を有機半導体層5に接触させる工程をいい、その工程によって有機半導体層5の半導体特性が回復する。半導体特性とは、一般に、移動度、オンオフ比、スレッショルド電圧の値等によって評価されるが、本発明の半導体特性回復工程によれば、半導体特性のうち、少なくとも1つ、好ましくは2つ以上の半導体特性に対して有効である。
上記の半導体特性のうち移動度、オンオフ比、及びスレッショルド電圧は、半導体パラメータアナライザー(例えばアジレント4159Cやアジレント4156C)を用いて測定した。測定は、様々なゲート電圧(Vg)、ドレイン電圧(Vd)、ソース電圧(通常は0V)を印加して、ドレイン電流(Id)を測定し、これらの特性を求めた。
劣化した有機半導体層5は、溶媒との接触によって半導体特性が回復する。接触の方法は特に制限されないが、例えば、有機半導体層5を溶媒に浸漬する手法、有機半導体層5に溶媒を塗布する手法、有機半導体層5に溶媒を噴霧する手法、有機半導体層5を溶媒で洗い流す手法、有機半導体層5に溶媒を刷毛する手法、及びこれらの手法を複数組み合わせた手法等が挙げられる。
また、半導体特性回復工程は、有機半導体層5に劣化が生じる毎に行うことが好ましい。有機半導体層5の劣化を進行させないためである。ただし、劣化が進行しない、あるいは蓄積しない場合には、1回のみ行うことも可能である。
ここで、有機半導体層5に接触させる溶媒について説明する。有機半導体層5に接触させる溶媒は、有機半導体層5を侵さないものであれば特に制限されず、任意の溶媒を用いることができるが、有機溶媒が好ましい。そのような有機溶媒の例として、例えば、脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、低級アルコール類、ケトン類、エステル類、含窒素複素環類、ハロゲン化炭化水素類、エーテル類、アミド類等が挙げられる。
半導体特性回復工程は、上述の各半導体特性の何れかが回復する。
ただし、移動度に関しては、有機半導体層5の劣化前と劣化後との移動度の差の値と比べて、有機半導体層5の劣化前と劣化後更に半導体特性回復工程を経た後との移動度の差の値が、30%以上、好ましくは50%以上回復することが好ましい。
また、オンオフ比に関しては、有機半導体層5の劣化後のオンオフ比の値に常用対数をとった値と比べて、半導体特性回復工程の後のオンオフ比の値に常用対数をとった値が、30%以上、好ましくは50%以上回復することが好ましい。
さらに、スレッショルド電圧に関しては、有機半導体層5の劣化後のスレッショルド電圧の値と比べて、半導体特性回復工程の後のスレッショルド電圧の値が、30%以上、好ましくは50%以上回復することが好ましい。
なお、劣化した有機半導体層5に対して溶媒を接触することによる、半導体特性の回復のメカニズムの詳細は不明である。ただし、種々の検討により以下の推測がなされる。すなわち、溶媒を接触することによって、有機半導体層5に作用している活性種の溶解除去や、劣化により化学変化した有機半導体層5の表面部分のみが除去され、半導体特性が回復するというものである。
有機半導体層5を溶媒と接触させた後は、有機半導体層5を加熱する、加熱処理をすることが好ましい。有機半導体層5に付着している溶媒を蒸発させたり、アニーリングにより半導体結晶の歪みを緩和し、結晶性を向上させりするためである。
本発明の電界効果トランジスタは、以上説明した各層の他に、必要であれば任意の層を有していてもよい。その一例として、保護層9(図2(h)参照)や、表示部10、11(図2(i)参照)について説明する。
基板6と反対側の最上層(上記の各実施形態では有機半導体層5等)の上などに、保護層9を設けることもできる(図2(h)参照)。保護層9の材料は特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリビニルアルコール、フッ素樹脂、ポリオレフィン等の各種樹脂からなる膜や、酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素等、無機酸化膜や窒化膜等の誘電体からなる膜が好ましく挙げられる。特に、酸素や水分の透過率や吸水率の小さな樹脂(ポリマー)が望ましい。例えばポリマーフィルムにアルミ等の金属や酸化ケイ素、窒化珪素、SiON等の気体透過性の小さな金属や無機酸化膜を有するポリマーの膜等を好適に用いることができる。
本発明の有機半導体素子を、有機EL(有機エレクトロルミネッセンス)、LCD(液晶ディスプレイ)、高分子分散液晶、電気泳動素子、エレクトロクロミック素子、PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)等の表示素子に利用することができる。多くの表示素子は表示部と電極から構成されている。すなわち、保護層の上層に、表示素子として所望の層(表示部10、11)を形成することができる。また、表示部の形成は、例えば、蒸着法、塗布法等、及びこれらの手法の組み合わせた手法によって形成することができる。
以上、本発明の有機電界効果トランジスタの製造方法の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で任意に変更して実施できる。
本発明の製造方法によって、様々な有機半導体素子を製造できるが、特に有機トランジスタを製造することが好ましい。有機電界効果トランジスタの製造には、有機半導体層5のパターニングを行うことになり、かつ、素子化に複雑なプロセスが行われるからである。
本発明の製造方法で製造された電界効果トランジスタの移動度は、通常10-3cm2/Vs以上、好ましくは10-2cm2/Vs以上が実用上望ましく用いることができる。
オンオフ比は、アプリケーション等にも依存するが、一般的には102以上、好ましくは103以上、更に好ましくは104以上が望ましい。
本発明の製造方法で製造された電界効果トランジスタは、単独の素子として構成してもよいが、集積回路の一部として構成されていてもよい。後者の場合、集積回路が有するトランジスタの大部分又は全てが、本発明の製造方法で製造された電界効果トランジスタであることが好ましい。トランジスタを集積して集積回路とすることにより、デジタル素子やアナログ素子が実現できる。これらの素子の例としては、AND、OR、NAND、NOT等の論理回路、メモリー素子、発振素子、増幅素子等が挙げられる。さらにこれらの素子を組み合わせることにより、ICカードやICタグを作製することが出来る。
酸素プラズマ処理は、反応性イオンエッチング装置(RIE−10NR、SAMCO社製)を用いて行なった。酸素プラズマ処理における、反応性イオンエッチング装置の真空チャンバー内の条件は、室温、酸素ガス流量下(流量10sccm、ガス圧1.1Pa)、放電電力100W、エッチング時間は26分で行なった。なお、1sccm=0.001l/minである。
以上のことから、有機半導体層にパターニング処理を施すと、半導体特性(ここでは、オンオフ比)が低下することが示された。また、半導体特性が低下した有機半導体層を溶媒に浸漬することで、半導体特性が回復することも示された。従って、半導体特性が低下した有機半導体層に、本発明の製造方法を適用すると、半導体特性が回復することが明らかとなった。
2 ドレイン電極
3 ゲート電極
4 ゲート絶縁層
5 有機半導体層
6 基板
7 配線部
8 マスク
9 保護層
10 表示部
11 表示部
Claims (6)
- 有機半導体と溶媒とを接触させ、前記有機半導体の半導体特性を回復させる半導体特性回復工程を行う
ことを特徴とする、有機半導体素子の製造方法。 - 前記有機半導体を前記溶媒に浸漬することで、前記溶媒と接触させる
ことを特徴とする、請求項1記載の有機半導体素子の製造方法。 - 該半導体特性回復工程の後に、前記有機半導体を加熱する加熱工程を行う
ことを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の有機半導体素子の製造方法。 - 前記有機半導体にパターニング処理をするパターニング工程の後に、該半導体特性回復工程を行う
ことを特徴とする、請求項1〜3の何れか一項に記載の有機半導体素子の製造方法。 - 前記パターニング処理が、反応性イオンエッチング処理である
ことを特徴とする、請求項4記載の有機半導体素子の製造方法。 - 前記有機半導体がポルフィリン化合物である
ことを特徴とする、請求項1〜5の何れか一項に記載の有機半導体素子の製造方法。
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