JP2008270752A - 有機電界効果トランジスター及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
CH2=CHCOO−(CH2)2−CN −−− (1)
CH2=C(CH3)COO−(CH2)2−CN −−− (2)
【解決手段】本発明によれば、導電体層/絶縁体層/半導体層構造を有するTFTにおいて、半導体層及び絶縁体層材料の両者を有機化合物とし、更に絶縁体層を形成する物質として水酸基を有しない高分子物質を用いることにより、n型トランジスター特性を低下させることがなく、更にキャリアー移動度を高めることができる。
【選択図】図1
Description
請求項1:
導電体層/絶縁体層/半導体層構造を有する有機電界効果トランジスターにおいて、半導体層を形成する物質が有機化合物であり、絶縁体層を形成する物質が下記式(1)で示されるモノマー及び/又は下記式(2)で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子物質を含んでなることを特徴とする有機電界効果トランジスター。
CH2=CHCOO−(CH2)2−CN −−− (1)
CH2=C(CH3)COO−(CH2)2−CN −−− (2)
請求項2:
前記有機電界効果トランジスターが、p型、n型の両方のトランジスター特性を示す両極性有機電界効果トランジスターであることを特徴とする請求項1記載の有機電界効果トランジスター。
請求項3:
前記高分子物質における式(1)及び(2)のモル比率が、100:0〜50:50であることを特徴とする請求項1又は2記載の有機電界効果トランジスター。
請求項4:
前記半導体層を形成する物質が、有機溶剤に溶解可能な重量平均分子量が2,000を超え1,000,000以下の有機化合物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の有機電界効果トランジスター。
請求項5:
前記半導体層を形成する物質が、ポリチオフェン類であることを特徴とする請求項4記載の有機電界効果トランジスター。
請求項6:
導電体層からなるゲート電極上に上記式(1)で示されるモノマー及び/又は上記式(2)で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子物質を有機溶剤に溶解した高分子溶液を塗着、乾燥させて絶縁体層を形成後、半導体層を積層することを特徴とする有機電界効果トランジスターの製造方法。
CH2=CHCOO−(CH2)2−CN −−− (1)
CH2=C(CH3)COO−(CH2)2−CN −−− (2)
冷却管及び攪拌機を持つ3口フラスコ(500ml)を窒素置換した後、通常の減圧蒸留法で蒸留した2−シアノエチルアクリレートモノマーを70g加えた。次いで、重合溶媒として脱水処理を行ったアセトンを163g、モノマーに対するモル数比が0.01となるようラジカル開始剤として2,2’−アゾビスイソブチロニトリルを加え、更に連鎖移動剤として0.001モルのラウリルメルカプタンを加えた。窒素導入管を接続し、反応温度60℃で反応時間300分の条件で反応を行った。終了後、室温まで冷却し、過剰量のメタノールへ反応液を析出させ、更に析出物をアセトンに溶解し過剰量のメタノールで析出することを数回繰り返した。その後、精製された析出物を乾燥し、ジメチルホルムアミドを溶媒とする20℃における20質量%の粘度が305mPa・s、40℃/1kHzの比誘電率が約11、軟化温度が約30℃のポリ(2−シアノエチルアクリレート)約63gを得た。
絶縁体層を形成する物質として、ポリ(2−シアノエチルアクリレート)を、半導体層を形成する物質として、銅フタロシアニン(ALDRICH社製)を用いて、下記に示す方法で有機電界効果トランジスターを作製し、評価した。
熱酸化シリコン基板上に、室温、背圧10-4Paの条件でRFスパッタ法によりTiを20nm蒸着し、次いでAuを60nm蒸着することでゲート電極を作製した。
次に、銅フタロシアニンを用いて真空蒸着法により膜厚が70nmの半導体層を作製した。X線回折測定したところ、2θ=6.8°にピークが観測され、銅フタロシアニン薄膜がα構造であることが分かった。
基板を−20℃に冷却し、半導体層にメタルマスクを介して、背圧10-5Pa以下の条件でRFスパッタ法により、Auを20nm蒸着した。ソース・ドレイン間の距離と電極幅は、それぞれ50μmの間隔(図1においてL=50μm)、4.0mm幅(図1においてW=4.0mm)であった。
電流−電圧(ISD−VSD)特性を室温(25℃)で測定したところ、図2のように、正のゲート電圧を印加すると、空乏層が形成されるため、低ゲート電圧では電流値が減少するが、高ゲート電圧では反転層が形成され、電流値が増加していくn型の特性を示した(図2)。ソース・ドレイン電流−ソース・ドレイン電圧曲線のチャネルコンダクタンスから移動度を見積もったところ、電界効果移動度は、1.0×10-4cm2/Vsであった。ゲート絶縁膜にシアノエチルプルランを用いた比較例1に示す素子では、単に電圧を印加しただけでは、n型のトランジスター特性を示さない。そのためポーリング処理が必要であり、ポーリング処理後の移動度と比較しても、本発明に示す電界効果移動度は、約100倍近く早い移動度が得られ、電子移動度の劇的な向上が見られた。
実施例1で作製した電界効果トランジスターに負のゲート電圧を印加して、電流−電圧(ISD−VSD)特性を室温(25℃)で測定したところ、図3のように、ゲート電圧の増加と共に電流値が増加していく、典型的なp型のトランジスター特性を示した(図3(A))。一方、正のゲート電圧を印加した場合では、空乏層が形成されるため、低ゲート電圧では電流値が減少するが、高ゲート電圧では反転層が形成され、電流値が増加していくn型の特性を示した(図3(B))。銅フタロシアニン層がp型であり、更にバンドギャップが1.5eVと大きいために、多量の電荷を蓄積しているにも拘わらず、弱い反転状態であると考えられる。そのため、n型のソース・ドレイン電流値は、p型のソース・ドレイン電流値に比べて10分の1(|Vg|=50Vの時)と小さな値を示す。
次に、ソース・ドレイン電流−ソース・ドレイン電圧曲線のチャネルコンダクタンスから移動度(μ)を見積もった。p型の移動度は1.0×10-3cm2/Vsであり、酸化シリコンをゲート絶縁膜にした電界効果トランジスターにおいて得られる値とほぼ同程度であった。一方、n型における電界効果移動度は、p型の約10分の1の1.0×10-4cm2/Vsであった。
ゲート絶縁膜にシアノエチルプルランを用いた比較例1に示す素子ではn型のトランジスター特性を得るためにポーリング処理が必要であり、ポーリング処理後の移動度と比較しても、本発明に示すn型における電界効果移動度は、約100倍近く早い移動度が得られ、電子移動度の劇的な向上が見られた。また、|VSD|=50Vにおけるp型、n型のOn/Off比は、ともに100程度であり、VTはそれぞれ−44V、73Vであった。
2−シアノエチルアクリレートモノマーを単独使用する代わりに、2−シアノエチルアクリレートモノマーと2−シアノエチルメタクリレートモノマーとを用いて実施例1と同様に操作し、絶縁体層を形成する物質として、2−シアノエチルアクリレートモノマーと2−シアノエチルメタクリレートモノマーのモル比が50:50の共重合体を得た。この共重合体は、ジメチルホルムアミドを溶媒とする20℃における20質量%の粘度が332mPa・s、40℃/1kHzの比誘電率が約10、軟化温度が約60℃であった。
得られた共重合体を用いて、実施例1及び実施例2に示す方法と同様の方法で電界効果トランジスターを作製して特性評価を行ったところ、実施例1及び実施例2同様、優れたトランジスター特性を示した。
2−シアノエチルアクリレートモノマーを単独使用する代わりに、2−シアノエチルアクリレートモノマーと2−シアノエチルメタクリレートモノマーとを用いて実施例1と同様に操作し、絶縁体層を形成する物質として、2−シアノエチルアクリレートモノマーと2−シアノエチルメタクリレートモノマーのモル比が90:10の共重合体を得た。この共重合体は、ジメチルホルムアミドを溶媒とする20℃における20質量%の粘度が321mPa・s、40℃/1kHzの比誘電率が約11、軟化温度が約40℃であった。
得られた共重合体を用いて、実施例1及び実施例2に示す方法と同様の方法で電界効果トランジスターを作製して特性評価を行ったところ、実施例1及び実施例2同様、優れたトランジスター特性を示した。
絶縁体層を形成する物質として、シアノエチル基置換率が85.2モル%であるシアノエチルプルラン(CyEPL、信越化学工業(株)製、CR−S、重量平均分子量:49,000)を、半導体層を形成する物質として、銅フタロシアニン(ALDRICH社製)を用いて、下記に示す方法で有機電界効果トランジスターを作製し、評価した。熱酸化シリコン基板上に、室温、背圧10-4Paの条件でRFスパッタ法によりTiを20nm蒸着し、次いでAuを60nm蒸着することでゲート電極を作製した。
次に、ゲート電極Au表面上に、シアノエチルプルランのN−メチル−2−ピロリドン15質量%溶液を0.2μmメンブランフィルターで濾過後、スピンコートして100℃で1時間乾燥し、2μmの絶縁体層を形成した。この絶縁膜の1kHzにおける静電容量は、17.7nF/cm2であった。
次に、真空蒸着法により膜厚が70nmの銅フタロシアニン膜を作製した。X線回折測定したところ、2θ=6.8°にピークが観測され、銅フタロシアニン薄膜がα構造であることが分かった。
次に、基板を−20℃に冷却し、半導体層にメタルマスクを介して、背圧10-5Pa以下の条件でRFスパッタ法により、Auを300nm蒸着した。ソース・ドレイン間の距離と電極幅は、それぞれ38μmの間隔(図1においてL=38μm)、3.9mm幅(図1においてW=3.9mm)であった。
絶縁膜にポーリング処理を行わないで、電流−電圧(ISD−VSD)特性を室温(25℃)で測定したところ、図4のように、正のゲート電圧を印加すると、ゲート電圧の増加と共に、ソース・ドレイン電流は小さくなり、空乏層が形成されていくだけであった。
次に、大きな蓄積電荷量を得るために、抗電界以上のソース・ゲート電圧(|VSG|=20V)を2,000秒間以上印加してポーリング処理を行った後、デバイスの電流−電圧(ISD−VSD)特性を室温で測定した。正のゲート電圧を印加すると、空乏層が形成されるため、低ゲート電圧では電流値が減少するが、高ゲート電圧では反転層が形成され、電流値が増加していくn型の特性を示した。実施例1と同様に求めた電界効果移動度は、3.5×10-6cm2/Vsであった。
比較例1で作製した電界効果トランジスターの絶縁膜にポーリング処理を行わないで、電流−電圧(ISD−VSD)特性を室温(25℃)で測定したところ、負のゲート電圧のときには典型的なp型の性質を示した。一方、正のゲート電圧のときには、ゲート電圧の増加と共に、ソース・ドレイン電流は小さくなり、空乏層が形成されていくだけであった。
次に、大きな蓄積電荷量を得るために、抗電界以上のソース・ゲート電圧(|VSG|=20V)を2,000秒間以上印加してポーリング処理を行った後、デバイスの電流−電圧(ISD−VSD)特性を室温で測定した。図5のように、負のゲート電圧を印加した揚合は、ゲート電圧の増加と共に電流値が増加していく、典型的なp型のトランジスター特性を示した(図5(A))。一方、正のゲート電圧を印加した場合は、ゲート電圧を印加すると空乏化が進み、電流値が減少して行ったが、20V以上では、反転層が形成され、電流値が増加していくn型の特性を示した(図5(B))。銅フタロシアニン層がp型であり、更にバンドギャップが1.5eVと大きいために、多量の電荷を蓄積しているにも拘わらず、弱い反転状態であると考えられる。そのため、n型のソース・ドレイン電流値は、p型のソース・ドレイン電流値に比べて2,000分の1(|Vg|=50Vの時)と小さな値を示す。電界効果移動度は、通常、飽和電流値から求められるが、このデバイスでは静電容量がQ=CVで決められないため、ソース・ドレイン電流−ソース・ドレイン電圧曲線のチャネルコンダクタンスから移動度(∫)を見積もった。VTはソース・ドレイン電流が立ち上がる閾値電圧であり、ISD=(W/L)μ[P+C(VSG−VT)]VSDの式を用いた。p型の移動度は4.1×10-3cm2/Vsであり、酸化シリコンをゲート絶縁膜にした電界効果トランジスターにおいて得られる値とほぼ同程度であった。
一方、n型における電界効果移動度は、p型の約1,000分の1の3.5×10-6cm2/Vsであった。また、|VSD|=10Vにおけるp型、n型のon/off比は、それぞれ6×104、70であり、VTはそれぞれ−0.1V、0.9Vであった。
2 導電体層(ゲート電極)
3 絶縁体層
4 半導体層
5 ソース電極
6 ドレイン電極
Claims (6)
- 導電体層/絶縁体層/半導体層構造を有する有機電界効果トランジスターにおいて、半導体層を形成する物質が有機化合物であり、絶縁体層を形成する物質が下記式(1)で示されるモノマー及び/又は下記式(2)で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子物質を含んでなることを特徴とする有機電界効果トランジスター。
CH2=CHCOO−(CH2)2−CN −−− (1)
CH2=C(CH3)COO−(CH2)2−CN −−− (2) - 前記有機電界効果トランジスターが、p型、n型の両方のトランジスター特性を示す両極性有機電界効果トランジスターであることを特徴とする請求項1記載の有機電界効果トランジスター。
- 前記高分子物質における式(1)及び(2)のモル比率が、100:0〜50:50であることを特徴とする請求項1又は2記載の有機電界効果トランジスター。
- 前記半導体層を形成する物質が、有機溶剤に溶解可能な重量平均分子量が2,000を超え1,000,000以下の有機化合物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の有機電界効果トランジスター。
- 前記半導体層を形成する物質が、ポリチオフェン類であることを特徴とする請求項4記載の有機電界効果トランジスター。
- 導電体層からなるゲート電極上に下記式(1)で示されるモノマー及び/又は下記式(2)で示されるモノマーを重合又は共重合して得られる高分子物質を有機溶剤に溶解した高分子溶液を塗着、乾燥させて絶縁体層を形成後、半導体層を積層することを特徴とする有機電界効果トランジスターの製造方法。
CH2=CHCOO−(CH2)2−CN −−− (1)
CH2=C(CH3)COO−(CH2)2−CN −−− (2)
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