JP2008091896A - インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程が単純であり、且つ特性が向上したＤ−インバータ構造を提供する。
【解決手段】本発明は、プラスチック基板に有機半導体を用いてインバータ回路を作製する際、しきい電圧を位置別に制御するため、エンハンスメントタイプ特性を示すボトムゲート有機半導体トランジスタをドライバトランジスタに使用し、空乏タイプ特性を示すトップゲート有機半導体トランジスタを負荷トランジスタに使用する構造及び製造方法を提案する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単一タイプのトランジスタを備えるインバータに関し、特に、プラスチック基板上に有機半導体トランジスタを用いて回路の基礎となるインバータを作製できる有機半導体インバータに関する。

有機電界効果トランジスタは、既存のシリコントランジスタに比べて工程が簡単であり、工程温度が低く、可撓性のプラスチック基板上に作製できるという長所を有していて、次世代の有望な素子として注目されている。主要な応用分野としては、フレキシブルディスプレイのスイッチング素子に使われたり、ＲＦ−ＩＤのような回路に用いられることができる。ディスプレイのピクセル駆動スイッチに使われる場合、単一極性のトランジスタ（例えば、Ｐ−タイプ）だけでよいが、回路素子に使われる場合、Ｐ−タイプとＮ−タイプの組み合わせであるＣＭＯＳが消費電力や動作速度の観点から最も好ましい。

しかしながら、有機半導体の場合、現在までＮ−タイプ素子については安定した特性確保が難しく、且つ信頼性がないので、Ｐ−タイプの単一特性でインバータを構成することが普遍的である。図３は、Ｐ−タイプだけで作製できる２つのインバータ構造を示している。図３Ａは、空乏トランジスタで負荷を作製し、エンハンスメントトランジスタでドライバを作製したインバータを示しており（Ｄ−インバータ）、図３Ｂは、エンハンスメントトランジスタで負荷部とドライバ部を共に作製したインバータを示している（Ｅ−インバータ）。

図３ＡのＤ−インバータタイプが消費電力、利得、スイング幅の観点からより好ましいが、有機半導体は、既存のシリコン半導体とは異なり、ドーピングによるしきい電圧の制御が不可能なので、位置別にしきい電圧特性が異なる素子を同じ基板に製作することは難しいという短所がある。

したがって、位置別にしきい電圧特性が異なる素子を図３Ａの構造で具現するためには、位置別に異なる表面処理を施したりする面倒な作業を行わなければならない。しかも、未だ有機半導体の場合、同じ基板においての均一性の観点から不足した点が多いため、安定したインバータの作製に難しさを持っている。

特に、現在までの技術を見れば、空乏負荷は、トランジスタのＷ／Ｌ（width/length）を大きくし、エンハンスメントドライバは、Ｗ／Ｌを小さくすることによって、トランジスタサイズ（size）効果で電流を調節して使用している。また、ひいては、有機半導体のパッシベーションの問題も商用化のために解決すべき問題として残っている。

大韓民国特許公開１０−２００２−０００１１６９号明細書 特開２００６−０１３１０８号明細書 特開２００５−１６６７１３号明細書 特開２００５−０７９５４９号明細書

本発明は、前述したような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、製造工程が単純であり、且つ特性が向上したＤ−インバータ構造を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、有機半導体トランジスタからなる安定したＤ−インバータ構造を提供することにある。

また、本発明のさらに他の目的は、優れた空乏特性を有する有機半導体トランジスタからなるＤ−インバータ構造を提供することにある。

本発明は、空乏負荷とエンハンスメントドライバとから構成されるインバータを作製する際、既存に使用したトランジスタＷ／Ｌ（width/length）を利用した方法を画期的に改良したもので、既存の方法において一般的にＷ／Ｌが大きいトランジスタがゲート電圧条件Ｖ_G＝０Ｖで電流が多く流れることを用いて空乏負荷として使用し、Ｗ／Ｌが小さいトランジスタをエンハンスメントドライバとして使用したので、最適で条件を確保するためにＷ／Ｌ別にトランジスタの特性を全て確保した後に設計及び作製が可能であるという問題点、及び一般的に空乏負荷を大きく設計するので、集積度にも限界があるという問題点を克服したものである。本発明は、このような問題点を改善するためのＰ−タイプの有機半導体トランジスタを利用したインバータの新しい構造及び製造方法を提案する。

前記目的を達成するために、本発明の一態様に係るインバータは、ボトムゲートトランジスタ構造を有するドライバトランジスタと、トップゲートトランジスタ構造を有する負荷トランジスタとを備えることを特徴とする。

本発明の他の態様に係るインバータの積層構造は、基板上に形成されたドライバトランジスタゲート電極と、前記ドライバトランジスタゲート電極を覆う第１の絶縁体層と、前記第１の絶縁体層上に形成された、ドライバトランジスタソース電極、ドライバトランジスタドレイン電極および負荷トランジスタソース電極を形成する単一層、および負荷トランジスタドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に露出された前記第１の絶縁層上に形成される有機半導体層と、前記ソース電極およびドレイン電極ならびに前記有機半導体層を覆う第２の絶縁体層と、前記第２の絶縁体上に形成された負荷トランジスタトップゲート電極とを備えることができる。

本発明に係るＤ−インバータを実施することによって、製造工程が単純なＤ−インバータ構造、特に、有機半導体トランジスタからなる安定したＤ−インバータ構造を提供できるという効果がある。

また、本発明に係る有機半導体トランジスタからなるＤ−インバータは、ターンオン電流特性、すなわち空乏特性に優れているという効果がある。

また、本発明は、既存のトランジスタサイズ効果を利用した方法より容易に空乏タイプとエンハンスメントタイプとが結合されたＤ−インバータを具現できるという効果がある。

また、本発明に係る二重ゲート構造を適用する場合には、Ｗ／Ｌを同一にしても、Ｄ−インバータを具現できるので、集積度を高めることができるという効果があり、且つ第２の誘電体層とトップゲート電極層がパッシベーションの役目をも同時に行うので、インバータ素子の寿命と安定性を増加させることができるという効果がある。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な形態で具現することができ、下記の実施形態に限定されるものではない。

図１及び図２は、本発明で提案する新規なインバータの構造を示している。

図１に示されたインバータは、プラスチック基板１０上に形成されたドライバトランジスタゲート電極２２と、ドライバトランジスタゲート電極２２を覆う第１の絶縁体層３０と、第１の絶縁体層３０上に形成された、ドライバトランジスタソース電極４２、ドライバトランジスタドレイン電極および負荷トランジスタソース電極を形成する単一層４４、および負荷トランジスタドレイン電極４６と、ソース電極と前記ドレイン電極との間に露出された第１の絶縁層上に形成された２つの有機半導体層７２、７４と、ソース電極およびドレイン電極ならびに有機半導体層７２、７４を覆う第２の絶縁体層５０と、第２の絶縁体層５０上に形成された負荷トランジスタトップゲート電極６２とを備える。

図１の左側領域に形成されたドライバトランジスタは、ゲート電極２２が最下部に形成され、その上に第１の絶縁体層３０が形成され、その上にさらにソース／ドレイン電極４２、４４が形成された後、有機半導体層７２が蒸着されたボトムゲート有機半導体トランジスタの構造を有している。

一方、図１の右側領域に形成された負荷トランジスタは、ソース／ドレイン電極４４、４６が形成され、その上に有機半導体層７４が形成された後、第２の絶縁体層５４が形成され、最終的にトップゲート電極６２が形成されたトップゲート有機半導体トランジスタ構造を有している。すなわち、ドライバトランジスタは、ボトムゲート構造で具現され、負荷トランジスタは、トップゲート構造で具現される。

図１の構造は、図３ＡのようなＤ−インバータ構造を有する。ドライバトランジスタは、ソースが接地電圧に連結され、ゲートに入力信号Ｖ_inが印加され、ドレインが負荷トランジスタのソースに連結される。また、負荷トランジスタは、ゲートとソースとが連結され、ドレインに電源電圧段Ｖ_ccが連結される。

この際、図示の構造において、ドライバトランジスタのドレイン電極は、負荷トランジスタのソース電極と同じ層４４で形成され、負荷トランジスタのゲート電極６２は、製造工程によってドライバトランジスタのドレイン電極層に導電的に直接連結されるので、Ｄ−インバータを構成するための別途の連結工程は必要としない。このために、第２の絶縁体層５０をパターニングする際、負荷トランジスタのトップゲート電極６２が、蒸着中に、負荷トランジスタのソース電極およびドライバトランジスタのドレイン電極となる単一層４４と導電的に連結されるように、適当なコンタクトホールを形成させることが好ましい。

ドライバトランジスタのドレイン電極と負荷トランジスタのソース電極とを同じ層４４で形成した構造は、ドライバトランジスタと負荷トランジスタのＷ／Ｌ（width/length）を同一に合わせることが容易であるという長所もある。

上述した概念を拡張すれば、図２に示されたようなさらに優れた特性を有する二重ゲート構造も可能である。

図２に示されたインバータの積層構造は、図１の場合と類似しているが、ドライバトランジスタゲート電極２２'と同じ層で形成される負荷トランジスタボトムゲート電極２４'をさらに含み、第１の絶縁体層３０'には、負荷トランジスタのソース電極およびドライバトランジスタのドレイン電極となる単一層４４と負荷トランジスタボトムゲート電極２４'層とを導電的に連結させるためのコンタクトホールが形成される点から差異がある。

図２のドライバトランジスタは、図１のドライバトランジスタ部と同一であるが、負荷トランジスタは、二重ゲートの構造を使用して同じＷ／Ｌにおいてほぼ２倍高いターンオン電流（on-current）特性を示すことができるので、さらに優れた空乏特性を有するようにすることができる。

ドライバトランジスタのゲート電極２２'を形成すると同時に、負荷トランジスタのボトムゲート電極２４'を形成し、ボトムゲート電極２４'を第１の絶縁体層３０'で覆った後、第１の絶縁体層３０'を所望の形状を有するトランジスタとなるようにパターニングする。この際、負荷トランジスタのソース電極およびドライバトランジスタのドレイン電極となる単一層４４'が、蒸着中に、ボトムゲート電極２４'と導電的に連結されるように、適当なコンタクトホールを形成させる。負荷トランジスタのトップゲート電極層６２'のためのコンタクトホールの形成過程は、図１の場合と同様である。

このように、トップゲート電極６２'とボトムゲート電極２４'とを導電的に直接連結させる場合は、空乏特性が要求される負荷トランジスタ部は、ボトムゲート有機半導体トランジスタとトップゲート有機半導体トランジスタを同時にターンオンまたはターンオフさせることができ、２倍のさらに優れた空乏特性を有するようになる。

前述したような構造を作製するために、付加的にさらに追加される工程は、既存の有機半導体工程において第２の絶縁体層５０'とボトムゲート電極２４'である。ところが、これらの層は、有機半導体の積層構造内に上部薄膜として必ず形成させなければならないパッシベーション層としての機能を同時に行うので、これらの層の存在による追加的な工程負担がほとんど無いことが分かる。

図１及び図２の構造のうち、製造工程上、材料的観点から本発明が新しく提示する内容を考察すれば、前記負荷トランジスタのトップゲート電極６２、６２'は、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗのうち少なくとも１つ以上の金属物質や、ＩＴＯ(酸化インジウムスズ；Indium Tin Oxide) 、ＩＺＯ(酸化インジウム亜鉛；Indium Zinc Oxide)などの導電性酸化膜や、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン；poly(ethylenedioxy)thiophene）などの導電性高分子膜で形成することができて、図２のボトムゲート電極２４'の場合も同様の物質で形成することができる。

また、ドライバトランジスタ及び負荷トランジスタのソース及びドレイン電極４２、４４、４６、４２'、４４'、４６'は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄのうち少なくとも１つ以上の金属物質や、 ＩＴＯ(酸化インジウムスズ；Indium Tin Oxide) 、ＩＺＯ(酸化インジウム亜鉛；Indium Zinc Oxide)などの導電性酸化膜や、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン；poly(ethylenedioxy)thiophene）などの導電性高分子膜で形成することができる。

また、図２の場合において、ドライバトランジスタのボトムゲート上部チャンネルを形成する第１の絶縁体層３０'は、ＯＴＳ（オクタデシルトリクロロシラン； octadecyltrichlorosilane）、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン；Hexamethyldisilazane）などの疎水性表面処理を施すことが、エンハンスメントドライバトランジスタの作製及び動作特性を向上させるために好ましい。また、負荷トランジスタのトップゲート下部チャンネルを形成する第２の絶縁体層５０'は、表面処理に大きな実益がないので、別の表面処理を施さないことが空乏負荷トランジスタの製作及び費用節減の観点から好ましい。

図４は、第１の絶縁体層にＡｌ₂Ｏ₃を使用し、第２の絶縁体層に１００℃以下で蒸着された低温Ａｌ₂Ｏ₃を使用して作製したボトムゲート有機半導体トランジスタ及びトップゲート有機半導体トランジスタのトランスファー曲線（transfer curve）であって、ボトムゲート有機半導体の場合、エンハンスメントタイプの特性を示し、トップゲート有機半導体の場合、空乏タイプの特性を示すことを実例として図示している。前記２つの種類のトランジスタをＤ−インバータ形態で連結させる場合、図４に示したように、Ｖ_G＝０Ｖで大きい電流差異を効果的に適用できるようになる。

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、上述した実施形態及び添付された図面に限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係るインバータ構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るインバータ構造を示す断面図である。 Ｄ−インバータ構造を示す回路図である。 Ｅ−インバータ構造を示す回路図である。 本発明に係るインバータのＯＴＦＴ特性向上を示すグラフである。

符号の説明

１０、１０' プラスチック基板
２２、２２' ドライバトランジスタゲート電極
３０、３０' 第１の絶縁体層
４２、４２' ドライバトランジスタソース電極
４４、４４' 単一層
４６、４６' 負荷トランジスタドレイン電極
５０、５０' 第２の絶縁体層
６２、６２' 負荷トランジスタトップゲート電極
７２、７２'、７４、７４' 有機半導体層

Claims (18)

1. ボトムゲートトランジスタ構造を有するドライバトランジスタと、
   トップゲートトランジスタ構造を有する負荷トランジスタと
   を備えることを特徴とするインバータ。
2. 前記ドライバトランジスタのドレイン電極と前記負荷トランジスタのソース電極とが同じ層で具現されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
3. 前記ドライバトランジスタのドレイン電極層と前記負荷トランジスタのゲート電極層とが導電的に直接連結されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
4. 前記ドライバトランジスタ及び前記負荷トランジスタは、有機半導体トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
5. 前記ドライバトランジスタは、ソースが接地電圧に連結され、ゲートに入力信号が印加され、ドレインが前記負荷トランジスタのソースに連結され、
   前記負荷トランジスタは、ゲートとソースとが連結され、ドレインには、電源電圧段が連結されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
6. 前記ドライバトランジスタ及び前記負荷トランジスタのＷ／Ｌが同一であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
7. 前記負荷トランジスタは、ボトムゲート及びトップゲートによる二重チャンネル構造を有することを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
8. 前記ドライバトランジスタのドレイン電極層と前記負荷トランジスタのボトムゲート電極層とが導電的に直接連結され、
   前記ドライバトランジスタのドレイン電極層と前記負荷トランジスタのトップゲート電極層とが導電的に直接連結されていることを特徴とする請求項７に記載のインバータ。
9. 前記ドライバトランジスタのドレイン電極と前記負荷トランジスタのソース電極とが同じ層で具現されていることを特徴とする請求項８に記載のインバータ。
10. 前記ドライバトランジスタのドレイン電極層と、前記負荷トランジスタのボトムゲート電極層及びトップゲート電極層とは、コンタクトホールを介して導電的に連結されていることを特徴とする請求項７に記載のインバータ。
11. 前記負荷トランジスタのトップゲート電極は、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗのうち少なくとも１つ以上の金属物質、ＩＴＯ(酸化インジウムスズ) 、ＩＺＯ(酸化インジウム亜鉛)またはＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
12. 前記ドライバトランジスタ及び前記負荷トランジスタのソース及びドレイン電極は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄのうち少なくとも１つ以上の金属物質、 ＩＴＯ(酸化インジウムスズ) 、ＩＺＯ(酸化インジウム亜鉛)またはＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
13. 前記ドライバトランジスタのボトムゲート上部チャンネルを形成する絶縁体層は、ＯＴＳ（オクタデシルトリクロロシラン）、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）などの疎水性表面処理が施されており、
    前記負荷トランジスタのトップゲート下部チャンネルを形成する絶縁体層は、表面処理が施されていないことを特徴とする請求項１に記載のインバータ。
14. 基板上に形成されたドライバトランジスタゲート電極と、
    前記ドライバトランジスタゲート電極を覆う第１の絶縁体層と、
    前記第１の絶縁体層上に形成された、ドライバトランジスタソース電極、ドライバトランジスタドレイン電極および負荷トランジスタソース電極を形成する単一層、および負荷トランジスタドレイン電極と、
    前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に露出された前記第１の絶縁層上に形成された有機半導体層と、
    前記ソース電極およびドレイン電極ならびに前記有機半導体層を覆う第２の絶縁体層と、
    前記第２の絶縁体上に形成された負荷トランジスタトップゲート電極と
    を備えることを特徴とするインバータ。
15. 前記第２の絶縁体層には、前記負荷トランジスタトップゲート電極と前記単一層とを導電的に連結させるためのコンタクトホールが形成されていることを特徴とする請求項１４に記載のインバータ。
16. 前記ドライバトランジスタゲート電極と同じ層で形成されている負荷トランジスタボトムゲート電極をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載のインバータ。
17. 前記第１の絶縁体層には、前記負荷トランジスタボトムゲート電極と前記単一層とを導電的に連結させるためのコンタクトホールが形成されていることを特徴とする請求項１６に記載のインバータ。
18. 前記基板は、プラスチック基板であることを特徴とする請求項１４に記載のインバータ。

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