JP2008235328A - 有機半導体装置、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機トランジスタの素子特性や安定性を向上させることのできる有機半導体装置、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、有機半導体層と、ゲート絶縁層と、を備える有機半導体装置の製造方法において、基板上に、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、有機半導体層、ゲート絶縁層を備える有機薄膜トランジスタを形成する素子構造形成工程と、有機薄膜トランジスタがＰ型のトランジスタの場合には、ゲート電極に、ドレイン電極又はソース電極の少なくとも一方の電極に対して相対的にプラスのゲート電圧を印加し、有機薄膜トランジスタがＮ型のトランジスタの場合には、ゲート電極に、ドレイン電極又はソース電極の少なくとも一方の電極に対して相対的にマイナスのゲート電圧を印加する電圧印加工程と、を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、有機半導体装置、及びその製造方法に関するものである。

近年、シリコンに代表される無機材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタから置き換えうるデバイスとして、有機半導体材料を用いた有機薄膜電界効果型トランジスタが注目されている。

その理由を以下に述べる。
（１）有機薄膜電界効果型トランジスタは、無機半導体に比べて極めて低温プロセスで製造できるため、プラスチック基板やフィルムを用いることができ、フレキシブルで軽量、壊れにくい素子を作製することができる。
（２）溶液の塗布や印刷法と言った簡便な方法で短時間での素子製作が可能であり、プロセスコスト、装置コストを非常に低く抑えることが可能である。
（３）材料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、素子特性を根本的に変化させることが可能である。異なる機能を組み合わせることで、無機半導体では不可能な機能、素子を実現することも可能である。
このような利点がある。

図８（ａ）〜（ｄ）に、代表的な有機トランジスタの一般的な断面構造を示す。
有機トランジスタ１１０は、基板１２、ゲート電極１３、ソース電極１４、ドレイン電極１５、ゲート絶縁層１６、半導体層１７から成り立っている。ゲート電極１３の形成法に関して、ゲート電極１３が基板１２側にあるボトムゲート型、ゲート電極１３が基板１２と半導体層１７を挟んだ逆側にあるトップゲート型の２種類に分けられる。また、ソース電極１４、ドレイン電極１５の形成法に関して、ソース電極１４及びドレイン電極１５が、半導体層１７からみて基板１２側にあるボトムコンタクト型、半導体層１７からみて基板１２と逆側にあるトップコンタクト型の２種類あり、これらの組み合わせで得られる計４種類の構造の有機トランジスタ１１０が代表的な形状である。
このような有機トランジスタの形成方法として、例えば特許文献１に示すような技術が提案されている。
特開２００４−３１９９８２号公報

しかしながら、上記の方法で作成した素子は、作成直後の状態において、半導体内や絶縁膜界面に多数のトラップ準位や不純物が存在する為、作成した素子をそのままデバイスに用いても最良な特性を得ることができないという問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、有機トランジスタの素子特性や安定性を向上させることのできる有機半導体装置、及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の有機半導体装置の製造方法は、上記課題を解決するために、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、有機半導体層と、ゲート絶縁層と、を備える有機半導体装置の製造方法において、基板上に、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、有機半導体層、ゲート絶縁層を備える有機薄膜トランジスタを形成する素子構造形成工程と、有機薄膜トランジスタがＰ型のトランジスタの場合には、ゲート電極に、ドレイン電極又はソース電極の少なくとも一方の電極に対して相対的にプラスのゲート電圧を印加し、有機薄膜トランジスタがＮ型のトランジスタの場合には、ゲート電極に、ドレイン電極又はソース電極の少なくとも一方の電極に対して相対的にマイナスのゲート電圧を印加する電圧印加工程と、を具備することを特徴とする。

本発明の有機半導体装置の製造方法によれば、有機薄膜トランジスタを形成した後、有機薄膜トランジスタがＰ型のトランジスタの場合には、ゲート電極に、ドレイン電極又はソース電極の少なくとも一方の電極に対して相対的にプラスのゲート電圧を印加し、有機薄膜トランジスタがＮ型のトランジスタの場合には、ゲート電極に、ドレイン電極又はソース電極の少なくとも一方の電極に対して相対的にマイナスのゲート電圧を印加することによって、ソース電極及びドレイン電極を形成する際にゲート絶縁層の界面に生じるトラップ準位を減少させることができる。つまり、ソース電極とドレイン電極との間に逆バイアスのゲート電圧を印加することによって、形成される有機半導体のオン電流特性が向上し、且つ、そのバラツキが解消されることになる。

また、電圧印加工程において、ドレイン電極とソース電極とを接地することが好ましい。
このような方法によれば、トラップ準位を確実に減少させることができ、上記した効果が安定して得られる。

また、電圧印加工程において、一度ゲート電圧を印加した後、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を接地し、再度ゲート電圧を印加することが好ましい。
例えば、ゲート電圧を長時間印加してしまうと、トラップ準位は減少するが、不純物イオンが移動したり、有機半導体層の界面が化学的にダメージを受けて素子が劣化してしまうことになる。そのため、本発明の製造方法によれば、一度ゲート電圧を印加した後、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を等電位に戻してから再度ゲート電圧を印加することによって、素子が劣化する要因を排除しつつ、素子特性を向上させることができる。

また、電圧印加工程において、パルス状にゲート電圧を印加することが好ましい。
このような製造方法によれば、ゲート電圧をパルス状に印加することによって、素子が劣化する要因を排除しつつ、素子特性を向上させることができる。

また、電圧印加工程において、基板を、減圧下、真空中、もしくは不活性ガスのうちのいずれかの雰囲気下においてゲート電圧の印加を行うことが好ましい。
このような製造方法によれば、酸素や水分などが存在しない環境下でゲート電圧を印加することによって、ゲート電圧の印加によって生成したキャリアと酸素や水分等との相互作用が引き起こされることもなくなり、素子が劣化することを防止できる。

また、電圧印加工程において、有機薄膜トランジスタを加熱しながらゲート電圧の印加を行うことが好ましい。
このような製造方法によれば、加熱しながら電圧印加処理を行うことによって、より効果的且つ短時間でゲート絶縁層界面のトラップ準位を減少させることができる。

また、電圧印加工程において、有機薄膜トランジスタに光を照射しながらゲート電圧の印加を行うことが好ましい。
このような製造方法によれば、光を照射しながらゲート電圧を印加することによって、より効果的且つ短時間でゲート絶縁層界面のトラップ準位を減少させることができる。

本発明の有機半導体は、基材上に、ゲート電極、ゲート絶縁層、チャネル領域、ソース電極、及びドレイン電極が配置された有機半導体であって、上記した製造方法で製造されることを特徴とする。
本発明の有機半導体によれば、良好な伝導性を得ることができるので、優れたスイッチング特性を備えたものとなる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

（有機トランジスタの構造）
図１は、本発明の有機トランジスタの実施形態を模式的に示す図である。
この有機トランジスタ（有機半導体装置）は、図８（ｃ）に示したような、トップゲート・ボトムコンタクト構造のものである。但し、本発明の有機トランジスタは、図８（ａ）に示したようなボトムゲート・ボトムコンタクト構造、図８（ｂ）に示したようなボトムゲート・トップコンタクト構造、図８（ｄ）に示したようなトップゲート・トップコンタクト構造などにも適用可能なのは勿論である。

本実施形態の有機トランジスタ１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように基板１０上にソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂを配設し、これらソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂを覆うようにして有機半導体層３０が配置され、さらにこの有機半導体層３０上にゲート絶縁層４０を介してゲート電極５０を配設して構成される有機薄膜トランジスタからなる。

以下、各部の構成について、順次説明する。
基板１０は、有機トランジスタ１を構成する各層（各部）を支持するものである。
基板１０には、例えば、ガラス基板、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリイミド（ＰＩ）等で構成されるプラスチック基板（樹脂基板）、石英基板、シリコン基板、金属基板、ガリウム砒素基板等を用いることができる。

有機トランジスタ１が可撓性を付与する場合には、基板１０には、プラスチック基板、または、薄い（比較的膜厚の小さい）金属基板が選択される。
基板１０上には、ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂ（一対の電極）が設けられている。これらソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂは、ほぼ同一平面上に配置されている。

ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂの構成材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌまたはこれらを含む合金のような金属材料、およびこれらの酸化物等を用いることができる。
また、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂは、導電性有機材料で構成することもできる。

また、有機半導体層３０がＰ型である場合には、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂの構成材料が、それぞれ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔまたはこれらを含む合金を主とするものが好ましい。これらのものは、比較的仕事関数が大きいため、ソース電極２０ａをこれらの材料で構成することにより、有機半導体層３０への正孔（キャリア）の注入効率を向上させることができる。

なお、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂの平均厚さは、特に限定されないが、それぞれ、１０〜２０００ｎｍ程度であるのが好ましく、５０〜１０００ｎｍ程度であるのがより好ましい。

ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの距離、すなわち、図１（ａ），（ｂ）に示すチャネル長Ｌは、２〜１００μｍ程度であるのが好ましく、２〜２０μｍ程度であるのがより好ましい。
このような範囲にチャネル長Ｌの値を設定することにより、有機トランジスタ１の特性の向上（特に、ＯＮ電流値の上昇）を図ることができる。

また、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂの長さ、すなわち、図１（ｂ）に示すチャネル幅Ｗは、１ｕｍ〜１０００ｕｍ程度であるのが好ましく、１０ｕｍ〜１００ｕｍ程度であるのがより好ましい。このような範囲にチャネル幅Ｗの値を設定することにより、寄生容量を低減させることができ、有機トランジスタ１の特性の劣化を防止することができる。また、有機トランジスタ１の動作速度の向上を行うことができる。

基板１０上には、各ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂに接触するように、有機半導体層３０が設けられている。この有機半導体層３０の構成材料については、後述する有機トランジスタの製造方法にて説明する。

有機半導体層３０の平均厚さは、特に限定されないが、０．１〜１０００ｎｍ程度であるのが好ましく、１〜 ５００ｎｍ程度であるのがより好ましく、１〜１００ｎｍ程度であるのがさらに好ましい。

有機半導体層３０上、すなわち、有機半導体層３０を介してソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂと反対側には、ゲート絶縁層４０が設けられている。このゲート絶縁層４０は、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂに対して、後述するゲート電極５０を絶縁するものである。ゲート絶縁層４０の構成材料としては、公知のゲート絶縁体材料であれば、種類は特に限定されるものではなく、有機材料、無機材料のいずれも使用可能である。

有機材料としては、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルフェノール、ポリイミド、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリビニルフェノール等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

一方、無機材料としては、シリカ、窒化珪素、酸化アルミ、酸化タンタル等の金属酸化物、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコニウムチタン酸鉛等の金属複合酸化物が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

ゲート絶縁層４０の平均厚さは、特に限定されないが、１０〜５０００ｎｍ程度であるのが好ましく、１００〜２０００ｎｍ程度であるのがより好ましい。ゲート絶縁層４０の厚さを上記範囲とすることにより、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂとゲート電極５０とを確実に絶縁しつつ、有機トランジスタ１の動作電圧を低くすることができる。

なお、ゲート絶縁層４０は、単層構成のものに限定されず、複数層の積層構成のものであってもよい。

ゲート絶縁層４０上の所定の位置、すなわち、ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの間のチャンネル領域１８に対応する位置には、有機半導体層３０に電界をかけるゲート電極５０が設けられている。このゲート電極５０の構成材料としては、公知の電極材料であれば、種類は特に限定されるものではない。具体的には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｎｄ、Ｃｏまたはこれらを含む合金のような金属材料、およびそれらの酸化物等を用いることができる。

また、ゲート電極５０は、導電性有機材料で構成することもできる。
ゲート電極５０の平均厚さは、特に限定されないが、０．１〜２０００ｎｍ程度であるのが好ましく、１〜１０００ｎｍ程度であるのがより好ましい。

このような有機トランジスタ１では、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂ間に電圧を印加した状態で、ゲート電極５０に閾値以上のゲート電圧を印加すると、有機半導体層３０のゲート絶縁層４０との界面付近に、図１（ａ）に示すようなチャネル領域１８が形成され、チャネル領域１８をキャリア（正孔）が移動することで、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂ間に電流（ドレイン電流）が流れる。

すなわち、ゲート電極５０に電圧が印加されていないＯＦＦ状態では、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂ間に電圧を印加しても、有機半導体層３０中にほとんどキャリアが存在しないため、微少な電流しか流れない。

一方、ゲート電極５０に電圧が印加されているＯＮ状態では、有機半導体層３０のゲート絶縁層４０に面した部分に電荷が誘起され、チャネル（キャリアの流路）が形成される。この状態でソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂ間に電圧を印加すると、チャネル領域１８を通って電流が流れる。

（有機トランジスタの製造方法）
次に、本発明の有機トランジスタの製造方法について説明する。
図２は、本発明の有機トランジスタの製造工程を示すフローチャートである。図３は、本実施形態の有機トランジスタの製造工程を示す断面図である。図４は、有機トランジスタにゲート電圧を印加する状態を示す説明図である。図５は、有機トランジスタ（Ｐ型）のエネルギーバンド図である。
以下、図２のフローチャートに沿って図３〜５を用いて説明する。なお、適宜図１を参照するものとする。

有機トランジスタ１の製造方法は、図２に示すように、有機トランジスタ１の素子構造を形成する素子構造形成工程と、有機トランジスタ１の特性を向上させる電圧印加工程とを備えて構成されている。

「素子構造形成工程」
まず、素子構造形成工程について述べる。
本実施形態における素子構造形成工程は、基板１０上にソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂを形成する工程（Ｓ１）と、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂを覆うように有機半導体層３０を形成する工程（Ｓ２）と、有機半導体層３０上にゲート絶縁層４０を形成する工程（Ｓ３）と、ゲート絶縁層４０上にゲート電極５０を形成する工程（Ｓ４）とを有する。

電極形成工程［Ｓ１］
まず、図３（ａ）に示すように、基板１０上に、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂを形成する。このソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂは、例えば、エッチング法、リフトオフ法等を用いて形成することができる。

エッチング法によりソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂを形成する場合には、まず、例えば、スパッタ法、蒸着法、メッキ法等を用いて、基板１０の全面に金属膜（金属層）を形成する。次に、例えば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法等を用いて、金属膜上（表面）にレジスト層を形成する。次に、このレジスト層をマスクに用いて、金属膜にエッチングを施して、所定の形状にパターニングする。

また、リフトオフ法によりソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂを形成する場合には、まず、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂを形成する領域以外の領域に、レジスト層を形成する。次に、例えば、蒸着法、メッキ法等を用いて、基板１０のレジスト層側の全面に金属膜（金属層）を形成する。次に、レジスト層を除去する。

なお、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂは、基板１０上に、例えば、導電性粒子や、導電性有機材料を含む導電性材料を塗布（供給）して塗膜を形成した後、必要に応じて、この塗膜に対して後処理（例えば加熱、赤外線の照射、超音波の付与等）を施すことにより形成することもできる。

導電性粒子を含む導電性材料としては、金属微粒子を分散させた分散液、導電性粒子を含むポリマー混合物等が挙げられる。
また、導電性有機材料を含む導電性材料としては、導電性有機材料の溶液または分散液が挙げられる。

基板１０上に導電性材料を塗布（供給）する方法としては、例えば、スピンコート法、キャスティング法、マイクログラビアコート法、グラビアコート法、バーコート法、ロールコート法、ワイヤーバーコート法、ディップコート法、スプレーコート法のような塗布法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、オフセット印刷法、インクジェット法、マイクロコンタクトプリンティング法のような印刷法等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

有機半導体層形成工程［Ｓ２］
次に、図３（ｂ）に示すように、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂを覆うように、有機半導体層３０を形成する。
有機半導体層３０は、有機半導体材料と、有機溶媒とを含む有機半導体用組成物を、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂを覆うように供給し、その後、必要に応じて後処理を施すことによって形成する。

有機半導体形成用液状材料を基板１０上に供給する方法としては、例えば、スピンコート法やディップコート法のような塗布法、インクジェット印刷法（液滴吐出法）やスクリーン印刷法のような印刷法等が挙げられる。

このうちインクジェット法を使用するのが好ましい。インクジェット法は、液状材料を微細なパターンで供給できるので、パターニングが不要であり、簡易な工程で精密な形状の有機半導体層を形成することができる。
また、本発明の有機半導体用組成物で用いる有機溶媒は、その組成にもよるが、上記各材料の沸点が室温より十分に高いので、インクジェット法で問題となる液状材料のノズル面での乾燥を防止することができ、良好な吐出特性を得ることができる。

これにより、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂを覆うように有機半導体層３０が形成される。このとき、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂとの間には、チャネル領域１８が形成される。

なお、有機半導体層３０の形成領域は、図示の構成に限定されず、有機半導体層３０は、ソース電極２０ａおよびドレイン電極２０ｂとの間の領域（チャネル領域１８）に選択的に形成してもよい。これにより、同一基板上に、複数の有機トランジスタ１（素子）を並設する場合に、各素子の有機半導体層３０を独立して形成することにより、リーク電流、各素子間のクロストークを抑えることができる。また、有機半導体材料の使用量を削減することができ、製造コストの削減を図ることもできる。

ゲート絶縁層形成工程［Ｓ３］
次に、図３（ｃ）に示すように、有機半導体層３０上に、ゲート絶縁層４０を形成する。
例えば、ゲート絶縁層４０を有機高分子材料で構成する場合、ゲート絶縁層４０は、有機高分子材料またはその前駆体を含む溶液を、有機半導体層３０上を覆うように塗布（供給）した後、必要に応じて、この塗膜に対して後処理（例えば加熱、赤外線の照射、超音波の付与等）を施すことにより形成することができる。

有機高分子材料またはその前駆体を含む溶液を、有機半導体層３０上へ塗布（供給）する方法としては、前記工程（Ｓ２）で挙げた塗布法、印刷法等を用いることができる。
また、ゲート絶縁層４０を無機材料で構成する場合、ゲート絶縁層４０は、例えば、熱酸化法、ＣＶＤ法、ＳＯＧ法により形成することができる。

ゲート電極形成工程［Ｓ４］
次に、図３（ｄ）に示すように、ゲート絶縁層４０上に、ゲート電極５０を形成する。
まず、ゲート電極５０の形成に先立って、金属膜（金属層）を形成する。
この金属膜は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、金属箔の接合等により形成することができる。

次に、この金属膜上に、レジスト材料を塗布した後に硬化させ、ゲート電極５０の形状に対応する形状のレジスト層を形成する。このレジスト層をマスクに用いて、金属膜の不要部分を除去する。
この金属膜の除去には、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
その後、レジスト層を除去することにより、ゲート電極５０が得られる。

なお、ゲート電極５０は、ゲート絶縁層４０上に、例えば、導電性粒子や、導電性有機材料を含む導電性材料を塗布（供給）して塗膜を形成した後、必要に応じて、この塗膜に対して後処理（例えば加熱、赤外線の照射、超音波の付与等）を施すことにより形成することもできる。
導電性粒子を含む導電性材料としては、金属微粒子を分散させた分散液、導電性粒子を含むポリマー混合物等が挙げられる。

また、導電性有機材料を含む導電性材料としては、導電性有機材料の溶液または分散液が挙げられる。
ゲート絶縁層４０上に導電性材料を塗布（供給）する方法としては、例えば、上記工程（Ｓ２）で挙げた塗布法、印刷法等を用いることができる。
以上のような工程を経て、有機トランジスタ１の素子構造が形成される。

「電圧印加工程」
次に、電圧印加工程について図２及び図４，５を参照しながら説明する。この電圧印加工程は本発明の特徴部分である。

電圧印加工程は、図２に示すように、ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとを接地する接地して、ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの間に逆バイアスのゲート電圧を印加するゲート電圧印加工程（Ｓ５）を備える。

ゲート電圧印加工程［Ｓ５］
上記工程Ｓ１〜Ｓ４により形成された有機トランジスタ１には、ゲート絶縁層４０の界面に製造過程（上記工程（Ｓ３））で生じたドナー型（Ｎ型準位）やアクセプター型（Ｐ型準位）のトラップ準位が多数存在する。図５（ａ）に示すように、Ｐ型の有機トランジスタ１では、その初期状態において、ゲート絶縁層４０の界面にドナー型の電荷が多く存在し、これがキャリアトラップとなって電流の流れを阻害する。

そこで、本実施形態ではまず、図４に示すように、ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとを接地して等電位にする。ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂを接地することにより、これらソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂに対するゲート電圧の印加を安定して行うことができる。

次に、図４に示すように、ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの間に逆バイアスのゲート電圧を印加する。印加するゲート電圧の極性は有機トランジスタ１の素子特性によって異なり、例えば、有機トランジスタ１がＰ型である場合には、ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂとの間にプラスのゲート電圧を印加する。一方、有機トランジスタ１がＮ型である場合には、ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂとの間にマイナスのゲート電圧を印加する。通常、Ｐ型のトランジスタの場合、マイナスのゲート電圧を印加することによって電流が流れ、Ｎ型のトランジスタの場合、プラスのゲート電圧を印加することによって電流が流れる。本実施形態では、Ｐ型のトランジスタにプラスのゲート電圧を印加し、Ｎ型のトランジスタにマイナスのゲート電圧を印加している。つまり、本実施形態において印加するゲート電圧は、Ｐ型、Ｎ型半導体の逆バイアス電圧である。

すると、例えば、Ｐ型の有機トランジスタ１を例にして述べると、図５（ｂ）に示すように、ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂ間にプラスのゲート電圧を印加すると、ゲート絶縁層４０の界面に存在していたドナーに電荷が注入されて、ゲート絶縁層４０の界面が中性に戻る。これにより、図５（ｃ）に示すように、ゲート絶縁層４０の界面に電荷が存在しなくなる。その結果、閾値電圧（Ｖｔｈ）がプラスにシフトして（閾値の絶対値が小さくなる方向に移動する）電流の流れが向上すると同時に素子動作電圧を低減させることができる。有機トランジスタ１がＮ型の場合には、Ｐ型の逆となり、閾値電圧（Ｖｔｈ）がマイナスにシフトして電流の流れが向上する。

印加電圧や電圧印加時間については、ゲート絶縁層４０の材質、膜厚（ゲート絶縁層４０のキャパシタンスに関係している）や用いる半導体材料によって最適な値は異なるが、印加電圧は０．１〜１００Ｖ程度が好ましく、１〜４０Ｖの範囲内であることがより好ましい。

また、電圧印加時間に関しては、０．１秒〜１０００秒程度が好ましく、１０〜１００秒の範囲内であることがより好ましい。なお、印加電圧が高いほど、より短時間で多くのトラップ準位を減少させることができる。

但し、あまりに長時間の間、高電圧を印加してしまうと、不純物イオンが移動したり、半導体界面が化学的にダメージを受けてしまい、逆に素子特性が劣化してしまうことが分かっている。このような素子を劣化させる要因を排除する方法として、以下の方法が挙げられる。
（１）接地したソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの間にプラスのゲート電圧を印加した後、ソース電極２０ａ、ドレイン電極２０ｂ、ゲート電極５０を接地することでこれらを等電位に戻し、再びプラスのゲート電圧を印加する。
（２）接地したソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの間に上記ゲート電圧を印加する際、ＡＣ的（パルス状）に印加する。

ここで、大気中のように、酸素や水分が存在している雰囲気下でゲート電圧印加工程Ｓ５を行うと、ゲート電圧によって生成したキャリアと酸素や水分が相互作用を起こして素子を劣化させる要因となる。そのため、酸素や水分などの存在しない減圧下、真空中、もしくは不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン）中で行うことが好ましい。

また、このゲート電圧印加工程Ｓ５は、図６に示すように、ホットプレートなどを用いて有機トランジスタ１を加熱した状態で行うことも可能である。
このように、有機トランジスタ１を加熱することで、より効果的且つ短時間でゲート絶縁層４０の界面のトラップ準位を減少させることができる。この加熱温度に関しては、２０℃〜２００℃程度が好ましく、５０℃〜１５０℃の範囲内で行うことがより好ましい。

また、素子を加熱することに代えて、図６に示すように、ランプなどを用いて有機トランジスタ１に光やレーザーを照射した状態で、ゲート電圧印加工程Ｓ５を行うようにしても良い。このように、有機半導体層３０及びゲート絶縁層４０の界面が光照射されている状態でゲート電圧印加工程Ｓ５を行うことにより、より効果的且つ短時間でトラップ準位を低減させることができる。用いる光の波長や照射強度の最適な値は、素子構造、基板１０、ゲート絶縁層４０、あるいは有機半導体層３０の光透過度によって変化するが、波長は３００ｎｍ〜８００ｎｍ程度、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、照射強度は、０．０１〜１０Ｗ／ｃｍ^２程度であることが好ましく、０．０１〜１０Ｗ／ｃｍ^２の範囲内であることがより好ましい。

このように、ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの間に逆バイアスのゲート電圧を印加することによって、有機トランジスタ１の素子性能を低下させる要因をなくすことができる。つまり、上記したように、有機トランジスタ１がＰ型の場合には、ゲート電極５０にドレイン電極２０ｂ及びソース電極２０ａに対して相対的にプラスのゲート電圧を印加し、有機トランジスタ１がＮ型の場合には、ゲート電極５０に、ドレイン電極２０ｂ及びソース電極２０ａに対して相対的にマイナスのゲート電圧を印加する。これにより、ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂを形成する際にゲート絶縁層４０の界面に生じたドナーやアクセプター型のトラップ準位が減少し、形成される有機トランジスタ１のオン電流特性が向上するとともにそのバラツキが解消される。よって、閾値電圧の低電圧化が可能となり、素子特性や安定性が向上した有機トランジスタ１を得ることができる。

［実施例］
次に、図１（ａ）、（ｂ）に示した構造の有機トランジスタの製造方法の実施例を示す。
基板１０として、ポリエチレンナフタレート基板（帝人デュポンフィルム株式会社製［テオネックスＱ６５］）を用意し、この基板１０を、イソプロピルアルコールを溶媒として超音波洗浄し、表面の脱脂処理を行った。

次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて、上記基板１０上に水分バリア膜として、厚さ２００ｎｍ程度のＳｉＯ２膜（図示せず）を成膜した。

次いで、成膜室が１０×１０^−４Ｐａまで減圧された抵抗加熱式蒸着装置に上記基板１０をセットし、ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂの形成を行った。具体的に、開口パターンを有したメタルマスク（図示せず）を基板１０上のＳｉＯ２膜に対してアライメントし、該メタルマスクを通して金を厚さ１５０ｎｍ程度となるように真空蒸着し、図１（ａ）、（ｂ）に示すようにソース電極２０ａ、ドレイン電極２０ｂを形成した。

次いで、基板１０に対して酸素プラズマ処理を行うことにより、基板１０の表面（ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂの表面）を親液化した。酸素プラズマ処理の条件は、使用装置（サムコインターナショナル研究所社製、「ＰＸ１０００」）、パワー（２００Ｗ）、処理時間（５分）、酸素流量（１００ｓｃｃｍ）、アルゴン流量（１００ｓｃｃｍ）である。

次いで、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）をキシンレンに０．５ｗｔ％の濃度で溶解させた塗布液を調製し、この塗布液を、インクジェット塗布装置によって上記ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂを覆うようにして基板１０上、５滴を５０μｍ間隔で直線状に吐出し、その後、１００℃で１０分間乾燥を行い、溶媒のキシレンを除去した。このようにしてポリ（３−ヘキシルチオフェン）からなる有機半導体層３０を基板１０上に成膜し、ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの間に、チャネル長Ｌが５０μｍ程度のチャネル領域１８を形成した。

次に、ポリイミド溶液を上記有機半導体層３０上にスピンコートにより塗布し、６０℃×１時間加熱を行うことによって溶媒を除去することで、厚さ４００ｎｍのゲート絶縁層を基板１０に一様に形成した。

次に、上記ゲート絶縁層４０上のチャンネル領域１８の上方にあたる部分に、導電性ポリマーであるＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）／ＰＳＳの水分散液をインクジェット塗布装置により塗布し、その後８０℃×１０分間で乾燥を行い、幅５０μｍ、平均厚さ１００ｎｍのゲート電極５０を形成した。
このようにして有機トランジスタ１の素子構造が形成される。

その後、構成された有機トランジスタ１のソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとを接地する。ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとを接地した後、これらソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂに対して、ゲート電極５０にプラス２０Ｖの電圧を所定時間印加する。ここでの処理は大気圧下で行うものとする。

このようにして、有機トランジスタ１が製造される。本発明の有機トランジスタ１の製造方法では、ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの間に逆バイアスのゲート電圧を印加する（電圧印加処理）ところに大きな特徴がある。よって以下に、上記のようなゲート電圧をソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの間に印加することによって如何に有機トランジスタ１の特性が向上するのかを検証する。

（トランスファー特性）
次に、有機トランジスタのトランスファー特性について述べる。
ここでは、作成直後の初期状態にある有機トランジスタのトランスファー特性を、大気圧中にて測定した。

ゲート電圧印加処理（上記ゲート電圧印加工程Ｓ５）を行っていない有機トランジスタ、５分間のゲート電圧印加処理を行った有機トランジスタ、及び１０分間のゲート電圧印加処理を行った有機トランジスタの、薄膜トランジスタとしての特性を、以下のようにして調べた。

半導体パラメータアナライザー（アジレント・テクノロジー社製：４１５６Ｃ）を用いて、ドレイン電圧を−４０Ｖ印加し、ゲート電圧を＋５Ｖから−３５Ｖまでスイープした場合のドレイン電流を測定した。得られた結果を図７に示す。図７には、Ｎ型の有機トランジスタのトランスファー特性が示されている。
なお、図７中において、横軸はゲート電圧Ｖｇ（ｖ）、縦軸はソース・ドレイン間電流（図７中にはドレイン電流Ｉｄｓ（Ａ）と記す）である。
なお、チャネル幅１００μｍ、チャネル長さ１０μｍの素子を用いて評価を行った。

また、図７から求められた移動度、閾値電圧を以下に示す。
移動度［ｃｍ^２／Ｖｓ］ Ｖｔｈ（閾値電圧）［Ｖ］
・電圧無印加 ０．９×１０^−２ −７
・５分印加 ２．０×１０^−２ −６
・１０分印加 ３．０×１０^−２ −４

なお、上記各項目の値は、以下に示す方法で求めた。
（オフ電流）
ゲート電圧が０Ｖの時の電流を求めた。

（移動度、閾値電圧）
ドレイン電流の１／２乗を縦軸、ゲート電圧を横軸にとったグラフ（図示せず）を別に作成し、得られた直線の切片から閾値電圧を求め、また、直線の傾きから、飽和領域でのトランジスタの移動度を算出した。

以上の結果から分かるように、電圧印加処理を施した有機トランジスタは、電圧印加処理を施していない有機トランジスタに比べて、閾値電圧、トランジスタの移動度に関して劇的に向上したものとなっている。したがって、本発明の製造方法により得られた有機トランジスタは、電圧印加処理を施していない従来の有機トランジスタに比べて素子特性が十分に向上していることが確認された。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもなく、上記各実施形態を組み合わせても良い。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、本実施形態の製造方法では、上記ゲート電圧印加工程Ｓ５においてソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとを接地した状態で電圧印加を行うとしたが、ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとを接地することが難しい場合は、ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂに対して相対的となるように、プラスあるいはマイナスの電圧を印加するようにする。各電極２０ａ，２０ｂの接地の有無に関わらず、有機トランジスタがＰ型の場合には、ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂに対して相対的にプラスのゲート電圧を印加し、有機トランジスタがＮ型の場合には、ソース電極２０ａ及びドレイン電極２０ｂに対して相対的にマイナスのゲート電圧を印加する。

これにより、電圧印加後には、Ｐ型の有機トランジスタでは閾値電圧がプラスにシフトし、Ｎ型の有機トランジスタ１では閾値電圧がマイナスにシフトする。したがって、有機トランジスタのオン電流特性が向上し、動作電圧が低減され、且つ、そのバラツキが解消される。よって、素子特性や安定性が向上し、信頼性に優れた有機トランジスタを得ることができる。

本実施形態における有機トランジスタの全体構成図。 本実施形態における有機トランジスタの製造方法を示すフローチャート。 本実施形態における有機トランジスタの製造方法を示す製造工程図。 有機トランジスタの電圧印加状態を示す説明図。 （ａ）〜（ｃ）は有機トランジスタ（Ｐ型）のエネルギーバンド図。 有機トランジスタの他の電圧印加状態を示す説明図。 実施例で形成した有機トランジスタの、特性を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は有機トランジスタの断面構造を模式的に示す図である。

符号の説明

１…有機トランジスタ（有機半導体装置）、１０…基板、２０ａ…ソース電極、２０ｂ…ドレイン電極、３０…有機半導体層、４０…ゲート絶縁層、５０…ゲート電極

Claims (8)

1. ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、有機半導体層と、ゲート絶縁層と、を備える有機半導体装置の製造方法において、
   基板上に、前記ソース電極、前記ドレイン電極、前記ゲート電極、前記有機半導体層、前記ゲート絶縁層を備える有機薄膜トランジスタを形成する素子構造形成工程と、
   前記有機薄膜トランジスタがＰ型のトランジスタの場合には、前記ゲート電極に、前記ドレイン電極又は前記ソース電極の少なくとも一方の電極に対して相対的にプラスのゲート電圧を印加し、
   前記有機薄膜トランジスタがＮ型のトランジスタの場合には、前記ゲート電極に、前記ドレイン電極又は前記ソース電極の少なくとも一方の電極に対して相対的にマイナスのゲート電圧を印加する電圧印加工程と、を具備することを特徴とする有機半導体装置の製造方法。
2. 前記電圧印加工程において、
   前記ドレイン電極と前記ソース電極とを接地することを特徴とする請求項１記載の有機半導体装置の製造方法。
3. 前記電圧印加工程において、
   一度前記ゲート電圧を印加した後、前記ゲート電極、前記ソース電極、及び前記ドレイン電極を接地し、再度前記ゲート電圧を印加することを特徴とする請求項１又は２記載の有機半導体装置の製造方法。
4. 前記電圧印加工程において、
   パルス状にゲート電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の有機半導体装置の製造方法。
5. 前記電圧印加工程において、
   前記基板を、減圧下、真空中、もしくは不活性ガスのうちのいずれかの雰囲気下において、ゲート電圧の印加を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の有機半導体装置の製造方法。
6. 前記電圧印加工程において、
   前記有機薄膜トランジスタを加熱しながらゲート電圧の印加を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の有機半導体装置の製造方法。
7. 前記電圧印加工程において、
   前記有機薄膜トランジスタに光を照射しながらゲート電圧の印加を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の有機半導体装置の製造方法。
8. 基材上に、ゲート電極、ゲート絶縁層、チャネル領域、ソース電極、及びドレイン電極が配置された有機半導体装置であって、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の製造方法で製造されることを特徴とする有機半導体装置。

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