JP2008277403A - トランジスタ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 縦型の薄膜電流注入型トランジスタにおいて、通常の空気雰囲気で高い電流増倍率と高い電流密度を安定して制御できるトランジスタ素子を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、第１電極と第２電極の間に第１半導体層、第３電極、第２半導体層を配し、前記第３電極から注入される電流によって前記第１電極から前記第２電極に流れる電流を制御するトランジスタ素子であって、前記第３電極が金属微粒子を構成要素として含む。また、前記第１半導体層が酸化亜鉛、前記第２半導体層が、酸化インジウム、酸化錫、酸化カドミミウムの少なくともいずれか１つを主成分とし、前記第１電極から前記第２電極に流れる電流が主として電子によるものである。
【選択図】 図２

Description

本発明はトランジスタ、特に縦型の薄膜電流注入型トランジスタ素子に関する。

シリコン材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタは、すでに工業製品として製造されており良く知られたものである。これらは例えば図１に示すように、基板７１に対し横方向に配置されている。ソース電極層７５及びドレイン電極層７６は、電気的に中性である半導体層（チャネル層額域）７４により分離されて設けられている。ゲート電極７２は、ゲート絶縁層７３により半導体層７４と電気的に分離されて、基板７１の上に配置している。半導体層７４を構成する半導体材料としては、水素化アモルファスシリコンや、多結晶シリコン材料等が用いられている。

また、半導体層に有機材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタもよく知られている（非特許文献１参照）。この従来の有機材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタも、前記シリコン材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタと基本的に同様の構成であり、基板７１に対し、横方向に配置されたものが多く検討されている。半導体層７４を構成する有機半導体材料としては、π電子共役系の高分子化合物、芳香族化合物等の有機材料が用いられてきた。

加えて近年は酸化物系半導体の開発が目覚しい。例えば半導体層に酸化亜鉛（非特許文献２参照）やインジウム・ガリウム・亜鉛複合酸化物（非特許文献３参照）を用いて比較的高い移動度を持つ薄膜トランジスタが報告されている。

これらの薄膜電界効果型トランジスタは、ゲート絶縁層を介してゲ-ト電極層より印加された電界が半導体層（チャネル部）に作用して、ソース電極層とドレイン電極層との間に流れる電流を制御することによりトランジスタ動作を実現している。特に、半導体層に有機材料や酸化物系半導体を用いた薄膜電界効果型トランジスタは、半導体層に結晶シリコンを用いたトランジスタと比べて、広い面積の均一な素子を作製できること、低温プロセスで素子が作製できるためプラスチック基板が使用出来ること等の利点を有している。

しかしながら、薄膜電界効果型トランジスタは結晶シリコントランジスタと比べて、(１)キャリア移動度（トランジスタ性能を示す）が低いこと、(２)大電流を流せないこと、(３)高速動作ができないこと、等の問題があった。これらの課題の解決手段として、従来から、電流方向を薄膜半導体層に垂直とする縦型の素子構造が提案されてきた。例えば、非特許文献４では、網目状のポリアニリンをゲート電極として用いた素子を提案している。また、非特許文献５では、ゲート電極を蒸着する際にＬＡＴＥＸ球を蒸着マスクとして用いナノスケールの空隙を持つ電極を形成している。

加えて特許文献１には、ゲート電極を有機膜の側壁に配する方法が開示されている。また特許文献１では、有機半導体層中に金属微粒子分散層を配し、これにトンネル電流により電荷を注入する事により、前記第１電極と第２電極の間に荒れる電流を制御することを開示している。

一般に有機半導体層の厚さは１００ｎｍ程度まで薄く出来るのに対し、基板に平行な方向でのパターニング精度は１０μｍのオーダーであるので、電流方向を有機半導体層に垂直とすることとすれば、電流方向が有機半導体層に水平な場合に比して、電流経路の断面積が大きく（おおよそ１００ｎｍ×１０μｍ⇒
１０μｍ×１０μｍ）、かつ電流経路の長さが短く（おおよそ１０μｍ⇒１００ｎｍ）なるため、電流密度は数桁大きくとることが可能となる。これらの素子構造の基本的な部分は、静電誘導型トランジスタとして公知のものである。

しかしながら、静電誘導型トランジスタにおいては以下の問題点があった。即ち、一般の電界効果型トランジスタにおいてはゲート電圧一定の動作条件において、ドレイン電流のドレイン電圧への依存性は、ある閾値以上では飽和特性を示す。

また、静電誘導型トランジスタでは一般にそのような特性は認められず、ドレイン電流はドレイン電圧に対して単調に増加する。これは、静電誘導型トランジスタにおいてはチャネル長が短く、所謂ピンチオフ効果が現れにくい事に起因するものである。

これに対し、電流注入型トランジスタは制御電極であるベース電極が薄くても飽和特性に支障はなく、縦型の薄膜トランジスタには好適である。シリコン半導体の電流注入型トランジスタとしては所謂バイポーラトランジスタが知られており広く用いられている。しかしながら、多くの有機半導体や酸化物半導体では未だｐｎ接合が実現されておらず、バイポーラトランジスタを構成する事が出来ない。

一方、ベース電極を金属材料としてショットキー接合を用いた電流注入型トランジスタも従来から検討されている（非特許文献６参照）。これらによればｐｎ両極性の材料が未だ開発されていない半導体材料についても電流注入型トランジスタを構成する事が可能であり、かつｐｎ接合に起因する拡散静電容量が無いため、トランジスタの高周波特性が改善されるという利点も期待される。

この電流注入型トランジスタにおいては、エミッタ電極からベース電極に注入された電荷の大部分がベース電極で再結合せずコレクタ電極に流れ込むことが必要である。即ち、ベース接地条件で、電荷のベース電極透過率をαとすると電流増倍率ｈ_FEは、ｈ_FE=α／(1−α)で表される。例えばα＝０．９９の時、ｈ_FEとして約１００が得られる。シリコンでの電子透過距離（１／ｅに減衰する距離）は約１０ｍｍと言われており、例えばシリコンのベース電極の厚さが１μｍあっても大部分の電子は透過するので、高い電流増倍率が得られる。
C.D. Dimitrakopoulos.,AdvancedMaterials, Vol.14,pp99-117 P.F. Carcia., Journal of theSID,Vo1.13/7, pp. 547-554 K Nomura., Nature, Vol.432, pp. 488-492 Y. Yang.,Nature,Vol.372, pp344(1994) 村石、信学技報 TechnicalReport of IEICE, OME2002-15 (2002-05)13 S. M. Sze、Solid State Electron, 9(1966)751 M. S. Meruvia、Appl. Phys. Lett. 84(2004)3978 S. Fujlmoto.,Appl. Phys. Lett. 87(2005)133503 特開２００３−１１０１１０号公報 国際出願番号 ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０３１０４３号

しかしながら、金属材料中の電子透過距離はおおよそ１０ｎｍと言われており、ベース電極に金属材料を用いた場合の電流増倍率は低い値しか得られないと考えられていた。それに対し、非特許文献７では、Ｃ６０／Ａｌ（膜厚６ｎｍ）／シリコンの構成でα＝０．９９、ｈ_FE＝１００、また、非特許文献８では、Ｃ６０／Ａｕ(膜厚２０ｎｍ)／ペリレン化合物の構成でｈ_FE＝１８０〜１０００を得ている。

これらの結果は前述の電子透過距離を考慮すると、いずれもその動作メカニズムが末だ説明出来ておらず、例えば金属ベース電極の隙間など不完全部を電子が通過している可能性も指摘されている。特に、前者の素子構成はシリコン基板を用いるものであり、薄膜トランジスタの利点である大面積、プラスチック基板への適用という要件を満たすものでは無かった。また、後者は有機材料を用いているので大面積、プラスチック基板への適用は可能であるものの、一般に電子輸送性の有機半導体材料は空気中で移動度が低下するため、電流密度が充分ではなく、かつ安定な特性が得られないという問題点があった。このように、縦型の薄膜電流注入型トランジスタにおいて、通常の空気雰囲気で高い電流増倍率と高い電流密度を安定して制御できる事が求められていた。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、縦型の薄膜電流注入型トランジスタにおいて、通常の空気雰囲気で高い電流増倍率と高い電流密度を安定して制御できるトランジスタ素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、第１電極と第２電極の間に第１半導体層、第３電極、第２半導体層を配し、前記第３電極から注入される電流によって前記第１電極から前記第２電極に流れる電流を制御するトランジスタ素子であって、前記第３電極が金属微粒子を構成要素として含むことを特徴とする。この構成によれば、通常の空気雰囲気で高い電流増倍率と高い電流密度を安定して制御できる。

また、好ましくは、前記第３電極が、少なくとも前記半導体層内に形成された直径１１０ｎｍ以下、Ｄ_０（ｎｍ）以上の金属微粒子を構成要素として含むことが望ましい。但し、Ｄ_０は、前記第１電極から前記第２電極に流れる電流が主として電子によるものである場合は、ベース電極材料の仕事関数と前記第２半導体層の電子親和力の差の絶対値ΔＥ（ｅＶ）に対し（１．８／ΔＥ）（ｎｍ）、前記第１電極から前記第２電極に流れる電流が主として正孔によるものである場合は、ベース電極材料の仕事関数と前記第２半導体層のイオン化ポテンシャルの差の絶対値ΔＥ（ｅＶ）に対し（１．０４／ΔＥ）（ｎｍ）を表す。この構成によれば、この範囲においては金属のエネルギー準位が離散的となり、電子の透過距離が長くなって、高い電流増倍率を得る事が可能となる。

また、好ましくは、前記第１半導体層が酸化亜鉛、前記第２半導体層が、酸化インジウム、酸化錫、酸化カドミミウムの少なくともいずれか１つを主成分とし、前記第１電極から前記第２電極に流れる電流が主として電子によるものであることが望ましい。この構成によれば、これらの酸化物半導体が高い電子移動度を持つものである事とともに、特に酸化亜鉛系材料の電子親和力が、酸化インジウム系材料、酸化錫系材料、酸化カドミミウム系材料の電子親和力より大きな値となるので、第１半導体層から流入した電子が高い運動エネルギーを持ち、第３電極の透過距離を大きくすることができる。

また、好ましくは、前記第１半導体層、前記第２半導体層が、正孔輸送性の有機半導体材料を主成分とし、前記第１電極から前記第２電極に流れる電流が主として正孔によるものであることが望ましい。この構成によれば、有機半導体においては電子輸送性材料に比して正孔輸送性材料の移動度が高く、かつ空気中での安定性が高いために、トランジスタ特性が良好となる。また、有様半導体のエネルギー準位はその化学構造を変える事で幅広く制御することが可能であり、従って、上記素子構造に好適な材料を選定することが容易である。

本発明によれば、縦型の薄膜電流注入型トランジスタにおいて、通常の空気雰囲気で高い電流増倍率と高い電流密度を安定して制御できるトランジスタ素子を提供することができる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図２は、本発明の電流注入型トランジスタ素子の実施形態の例を示す概略構成図である。

図２に示すように、このトランジスタ素子は、基板１０上に、第１電極層２０、第１半導体材料層３０、第３電極層としての金属微粒子層４０、第２半導体材料層３１、第２電極層２１が薄膜として順次積層された構成とする事が出来る。このトランジスタ素子は、第３電極から注入される電流によって第１電極から第２電極に流れる電流を制御する。第３電極が金属微粒子を構成要素として含んでいる。特に金属微粒子層４０の金属が酸化されやすい場合、金属微粒子は極薄の絶縁性酸化膜で分離されるが、電流はトンネル効果により相互に注入可能である。

金属のエネルギー準位は一般には仕事関数で表されるが、微粒子状態ではイオン化ポテンシャル（Ｉｐ）と電子親和力（Ｅａ）に分離される。その詳細は量子力学に基づく計算が必要であるが、最も古典的なモデルにおいては以下の式（１）、（２）で表される（非特許文献９参照）。
・Ｉｐ＝ＷＦ−１．０４／Ｄ（ｅＶ） （１）
・Ｅａ＝ＷＦ＋１．８０／Ｄ（ｅＶ） （２）

ここで、ＷＦは仕事関数（ｅＶ）、Ｄは金属微粒子の直径（ｎｍ）である。イオン化ポテンシャル（Ｉｐ）はある材料の表面から電子を取り出して陽イオンと電子に分離する必要最小限のエネルギー、電子親和力（Ｅａ）は材料と電子が結合する時に放出されるエネルギー、仕事関数（ＷＦ）は、ある材料の表面から電子を取り去るのに必要最小限のエネルギーを意味し、それぞれ電極材料に固有の値であるが、微粒子状態には無い金属材料の場合、３者は一致する。
・非特許文献９：「Clusters of Atoms and
Molecules」 edited by Hellmut Haberland, Spring-Verlag(1994),
pp295-299

通常の半導体では、イオン化ポテンシャルは価電子帯、電子親和力は伝導帯のエネルギー準位に相当する。また有機半導体においては、それぞれ有機分子の最高占有分子軌道（ＨＯＭＯ）、最低非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）に相当する。仕事関数、イオン化ポテンシャルは大気中の光電子放出スペクトルにより測定することができる。電子親和力の直接測定は困難であるが、例えばイオン化ポテンシャルと光学的なエネルギーギャップ幅測定から計算により求めることが可能である。仕事関数、電子親和力及びイオン化ポテンシャルなどのエネルギー準位の数値は、真空準位との相対値でマイナス値として示す。以下、例えば“大きい”という表現はマイナス値であればゼロに近い事を表す。

図３は、上記式（１）、（２）を、アルミニウム（ＷＦ＝−４．２８ｅＶ）と白金（ＷＦ＝−５．６５ｅＶ）の場合について算出した結果を示したものである。いずれの場合もクラスタサイズが小さくなるに従ってイオン化ポテンシャル（Ｉｐ）は小さく、電子親和力（Ｅａ）は大きくなる事が明瞭である。電子親和力とイオン化ポテンシャルの差は通常のエネルギーギャプＥｇとなるが、この値が室温の熱エネルギーｋＴ＝２６ｍｅＶと等しくなるのは、クラスタサイズがおおよそ１１０ｎｍの時である。即ち、金属クラスタにおいて分離したエネルギー準位の効果が熱エネルギーによる擾乱よりも大きくなるのはクラスタサイズがおおよそ１１０ｎｍ以下になった時であり、更に好ましくはエネルギーギャップＥｇが室温の熱エネルギーの１０倍＝２６０ｍｅＶを超える、クラスタサイズ１１ｎｍ以下である事が望ましい。

一方、クラスタサイズが更に小さくなると、例えばｎ型半導体の場合（第１電極から第２電極に流れる電流が主として電子によるものである場合）、クラスタの電子親和力がエミッタ側の第１半導体層もしくは第２半導体の伝導体準位を超えて大きくなる。この場合は、第１半導体層からベース電極への電子注入が発生しにくくなり、もしくは、第２半導体との間では逆バイアス状態を維持する事が難しくなるので、クラスタサイズはある値よりも大きい事が求められる。

一般には第２半導体の電子親和力が第１半導体層の電子親和力より小さいのでそちらが限界値を決める要素となる。具体的な限界値はベース電極材料と第２半導体層の材質に依存するが、例えばベース電極材料がアルミニウム、第２半導体層がＣ６０の場合、前者のＥａ（＝−４．１５＋１．８０／Ｄ）（ｅＶ）がＣ６０のＥａ（＝−３．５７）（ｅＶ）よりも小さい範囲として、クラスタサイズの最小値３ｎｍを得る。

即ち、クラスタサイズの最小値Ｄ_０は、ベース電極材料の仕事関数と第２半導体層の電子親和力の差の絶対値をΔＥとすると、１．８／ΔＥ（ｎｍ）で表される。これにより、上記の場合のクラスタサイズの最適範囲は３〜１１０ｎｍ、より好ましくは３〜１１ｎｍ）となる。ｐ型半導体の場合（第１電極から第２電極に流れる電流が主として正孔によるものである場合も同様の議論により、クラスタサイズの最小値Ｄ_０は、ベース電極材料の仕事関数と第２半導体層のイオン化ポテンシャルの差の絶対値をΔＥとすると、１．０４／ΔＥ（ｎｍ）で表される。

この範囲にある金属微粒子をベース電極として用いた場合の、本発明の素子構造のエネルギー準位（第１電極から第２電極に流れる電流が主として電子によるものである場合）を図４に示す。

第１半導体層と第３電極の間には順バイアスの電界が印加され、電子が第３電極に流入する。この場合、電子は第１半導体層と第３電極のエネルギー差に相当した、室温相当よりも高いエネルギーを持つ（ホットエレクトロン）。上記のように第３電極は金属が微粒子状態であり、エネルギー準位が離散化されているため、そこにおける透過距離は通常の非微粒子状態よりも格段に長くなる。これにより第３電極に流入した電子の大部分は第３電極で消滅する事なく、第２半導体層へ流入する。

第３電極と第２半導体は逆バイアスとなっており、第２半導体中には空乏層が形成されて、その電界により電子は第２電極に至る。このようにして、ベース電極透過率αは１に近い値となり、大きな電流増倍率ｈ_FEを得ることが可能となる。

本発明において、基板１０としては特に限定されないが、従来公知のガラス基板やプラスチック基板が好ましく用いられる。

第１電極層２０、第２電極層２１としては、アルミニウム、金、銀、ニッケル、鉄などの金属材料や、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、カーボン等の無機材料、共役系有機材料、液晶等の有機材料、シリコンなどの半導体材料などが適宜選択可能であり、特に限定されない。

なかでも、第１、第２半導体層３０、３１への電荷注入は、電極材料の仕事関数に大きく依存する事が知られている。仕事関数の絶対値が低い電極材料としてはアルミニウム、リチウム、マグネシウム、カルシウム、等が挙げられ、電子を半導体材料へ注入するのに好適である。また、仕事関数の絶対値が高い材料としては金、クロム、白金、ＩＴＯ等が挙げられ、正孔を半導体材料に注入するのに好適である。

第１電極層２０、第２電極層２１の形成方法としては、真空蒸着法、あるいはスピンコート等の塗布法等の従来公知の薄膜形成方法が好ましく用いられ、特に限定されない。真空蒸着で薄膜を形成する場合、蒸着時の基板温度は、使用する電極材料によって適宜選択されるが０〜１５０℃が好ましい。また、各電極層の膜厚は５０〜２００ｎｍが好ましい。

次に、第１半導体材料層３０、第２半導体材料層３１に用いる半導体材料としては、酸化物半導体、有機半導体、アモルファス水素化シリコン、III−V族半導体、II−VI族半導体など、各種の半導体材料を用いる事が可能である。このうち酸化物半導体としては、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化力ドミミウム、及びこれら酸化物の複合酸化物があげられる。またこれらの材料に別材料を添加して導電率を制御した材料も好適である。

これらの酸化物半導体はほとんどがｎ型の半導体であり、ｐ型半導体となる材料は未だ少数に限定されている。またこれらのうち、酸化亜鉛の伝導帯準位（＝電子親和力）はおおよそ−４．０ｅＶ、酸化インジウム、酸化錫、酸化力ドミミウムは、それぞれ−５．３ｅＶ、−５．３ｅＶ、−５．０ｅＶであり、前者を第１半導体層、後者の少なくとも１つを第２半導体層とする事で、１ｅＶ以上のエネルギー差を得ることが可能となる。またこれらの材料に適当な材料（例えばＭｇ、Ａｌ、Ｇａなど）を合金化することによりエネルギー準位や伝導度を制御する事も可能であり、好ましく用いられる。

また、有機半導体として好ましくは、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン及びそれらの誘導体よりなる群から選択されるアセン分子材料、フタロシアニン系化合物、アゾ系化合物及びペリレン系化合物よりなる群から選ばれる顔料及びその誘導体、アミノイミダゾール系化合物、カルバゾール系化合物、スチリル系化合物、スチルベン系化合物、ブタジエン系化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン化合物、フェニレン誘導体及びトリアリールアミン化合物よりなる群から選択される低分子化合物並びにそれらの誘導体、或いは、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、ポリチオフェン誘導体、チオフェンオリゴマー誘導体、ピレンホルムアルデヒド樹脂、ポリアセチレン誘導体、及び、エチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂よりなる群から選択される高分子化合物、フルオレノン系、ジフェノキノン系、ベンゾキノン系、アントラキノン系、インデノン系化合物が挙げられるがこれに限定されるものでは無い。また、第１半導体材料層３０、第２半導体材料層３１が、正孔輸送性の有機半導体材料を主成分とする場合には第１電極から第２電極に流れる電流が主として正孔によるものであるのが望ましい。

特にｐ型の有機半導体としてはペンタセンやチオフェンポリマーが高い移動度を持つ材料として知られている。これらの材料のイオン化ポテンシャルはいずれも約−４．９ｅＶと比較的大きいことからこれらを第２半導体層の材料とし、例えばカルバゾール系化合物の１つである４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾールビフェニル（ＣＢＰ）（イオン化ポテンシャル約−６．３ｅＶ）などを第１半導体層の材料とする事で、所望の素子構成を得ることが可能である。

第３電極の金属微粒子としては各種の金属材料が用いられ、例えばアルミニウム、クロム、チタン、金、銀、銅、白金、もしくはロジウムなどが可能であるが、仕事関数が請求項２のΔＥの制約条件を満たすような組み合わせとなるような材料選択が必要である。

金属微粒子層４０の形成方法としては、真空蒸着等によって金属微粒子と絶縁性材料とを共蒸着、もしくは共スパッタすることで可能である。これにより、金属は蒸気化されるので、１〜５０ｎｍの金属微粒子を容易に得ることができる。また、金属が酸化されやすい材料の場合は、成膜装置内に酸素や水蒸気を少量残存させることによって、金属微粒子表面に極薄の絶縁皮膜を得、微細な粒子を得ることもできる。

共蒸着は、従来公知の蒸着装置により、上記の半導体材料層３０、３１と同様の条件で行うことができる。基板温度は、使用する半導体材料によって適宜選択されるが、プラスチック基板が使用できる０〜１５０℃が好ましい。また、真空度は１０^-5ｔｏｒｒ以下の真空度で行うことが好ましい。また、共蒸着法における金属微粒子と絶縁性材料の体積比は５：１〜３０：１の範囲が好ましい。また、膜厚は３〜１１０ｎｍが好ましく、３〜１１ｎｍが更に好ましい。このように形成された金属微粒子層では、個々の微粒子は相互に接触していないが、電圧を印加することによりトンネル効果により電流が流れ、その電位を制御することが出来る。また半導体層への電流注入も可能である。

また、金属微粒子が適当な液体に分散された分散液として得られる場合、金属微粒子層４０は、上記の半導体材料層３０、もしくは３１上に、スピンコート等の塗布によっても形成してもよい。この場合、塗布溶剤としては、特に微粒子として白金、ロジウム等の金属を用いる場合は、当該材料の分散が容易なアルコール系のエチルアルコール、メチルアルコール、プロピルアルコール、グリコール系のエチレングリコール、ＴＨＦ（Tetrahydrofuran）、エチレングリコールジメチルエーテル、もしくは純水が好ましい。この場合、液中に、上記の金属微粒子を例えば０．００１〜３０質量％の範囲で分散させる。スピンコート条件は目標膜厚に応じて適宜設定可能であるが、回転数２００〜３６００ｒｐｍの範囲が好ましい。また、膜厚は３〜１１０ｎｍが好ましい。

また、特に白金微粒子の場合は、例えば特開平７−８８０７号公報等に開示されているように、白金イオン溶液としてジニトロジアミノ硝酸溶液を使用し、かつ還元剤としてエタノールを使用することで白金イオンを還元し白金微粒子を基板上に析出させる事も可能である。このようなナノオーダーレベルの金属の微粒子は、例えば、田中貴金属株式会社等から一般の市販品として入手することも可能である。

以下、実施例を用いて、本発明のスイッチング素子について更に詳細に説明する。

実施例１
以下の手順で、図２に示すような構成のトランジスタ素子を作成した。すなわち、基板１０としてガラス基板を用い、第１電極層２０、第１半導体層３０、金属微粒子分散層４０、第２半導体層３１、第２電極層２１を、スパッタ法、もしくは真空蒸着法により、それぞれ１００ｎｍ、５０ｎｍ、１０ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍの厚さで順次薄膜形成し、実施例１のスイッチング素子を形成した。各層成膜時の基板温度は室温とした。

各層の材料は、第１電極層２０、第２電極層２１としてそれぞれアルミニウム、金を用い、第１半導体層３０として酸化亜鉛 （ＺｎＯ）、第２半導体層３１として酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃)を用い、それぞれスパッタ法により形成した。また、金属微粒子層４０は白金微粒子層を、第１半導体層３０上で塩化白金酸溶液を還元することにより形成した。

具体的には、白金濃度８ｇ／１のジニトロジアミノ硝酸溶液５００ｃｃと９８.５％のエタノール４００ｍｌを混合し、その混合液を、第１半導体層３０を形成した基板とともに還流装置付きの容器に入れ、９０℃の温度で２０時間加熱還流し、白金イオンの還元を行った。還元終了後、濾過洗浄を濾液が中性になるまで行い、その後１００℃で一晩乾燥し、さらにチッ素気流中で２５０℃で３０分間乾燥することにより白金微粒子層を得た。この条件において白金微粒子の直径は約８ｎｍであった。

実施例２
第２半導体屑３１として酸化錫（ＳｎＯ₂)を用い、スパッタ法により形成した以外は実施例１と同一の条件で成膜して、実施例２のスイッチング素子を得た。

実施例３
第２半導体層３１としてインジウム・ガリウム・亜鉛の複合酸化膜（ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）を用い、スパッタ法により形成した以外は実施例１と同一の条件で成膜して、実施例２のスイッチング素子を得た。

実施例４
基板１０としてポリエチレンナフタレート基板（帝人デュポン社製）を用い、第１電極層２０、第１半導体層３０、金属微粒子分散層４０、第２半導体層３１、第２電極層２１を、真空蒸着法により、それぞれ１００ｎｍ、１００ｎｍ、８ｎｍ、１５０ｎｍ、１００ｎｍの厚さで順次薄膜形成し、実施例４のスイッチング素子を形成した。

各層の材料、第１電極層２０、第２電極層２１としてそれぞれ金、アルミニウムを用い、第１半導体層３０としてカルバゾール系化合物の１つである４，４’−Ｎ，Ｎ’−ジカルバゾールビフェニル（ＣＢＰ）（化学式（１）、アルドリッチ社製）、第２半導体層３１としてペンタセン（化学式（２）、アルドリッチ社製）を用い、それぞれ真空蒸着法により形成した。また、金属微粒子層４０はアルミを真空蒸着することにより形成した。蒸着は抵抗加熱方式により行ない、蒸着装置はクライオポンプ排気で、２×１０^-7ｔｏｒｒの真空度で行った。この際のアルミ蒸着源温度は約９５０℃であり、残留ガスは、その９０％が水分であった。この条件においてアルミ微粒子の約８ｎｍであったが、その表面は酸化されており、断面観察の結果、内部のアルミニウム金属部分の直径は約６ｎｍであった。

実施例５
金属微粒子層を形成する際の蒸着源温度を約９００℃とした以外は、実施例４と同一の条件で成膜して、実施例５のスイッチング素子を得た。この条件においてアルミ微粒子６ｎｍであったが、その表面は酸化しており、断面観察の結果、内部アルミニウム金属部分の直径は約４ｎｍであった。

比較例１
金属微粒子層を形成する際の蒸着源温度を約１１００℃、蒸着時の真空度を１×１０^-8ｔｏｒｒの真空度とし、基板温度を２００℃とした以外は、実施例１と同一の条件で成膜して比較例１のスイッチング素子を得た。この条件においてアルミ微粒子直径は膜面方向に約１５０ｎｍとなった。

比較例２
金属微粒子層を形成する際の蒸着渡温度を約８００℃とした以外は、実施例１と同一の条件で成膜して、比較例２のスイッチング素子を得た。この条件においてアルミ微粒子の約２ｎｍであったが、その表面は酸化されており、断面観察の結果、内部のアルミニウム金属部分の直径は約１．５ｎｍであった。

試験例１
実施例１、２、３と比較例１、２は半導体がｎ型であり、第１電極から第２電極に流れる電流が主として電子による場合、実施例４、５は半導体がｐ型であり、第１電極から第２電極に流れる電流が主として正孔による場合である。これらの実施例、比較例における各層のエネルギー準位（ｎ型の場合はＥａ、ｐ型の場合はＩｐ)と、Ｄ_０値、及び得られた金属微粒子直径ｄを表１に示す。実施例１〜５ではＤ_０<ｄ<１１０が満足されているが、比較例１では１１０<ｄ、比較例２ではｄ<Ｄ_０となっている。

上記の実施例１〜５、比較例１、２のトランジスタ素子について、第１電極と第３電極の間に０Ｖ、もしくは３Ｖの電圧（エミッタ電圧）を印加し、第３電極と第２電極の間の電圧（コレクタ電圧）を０Ｖから５Ｖへ変えた時のコレクタ電流の変化を表２に示す。また、実施例１におけるコレクタ電流のエミッタ・コレクタ間電圧に対する依存性を図５に示す。

ここで、エミッタ電圧とコレクタ電圧の極性は、半導体層の極性に応じて正負を変更している。即ちｎ型の場合は第１電極(エミッタ)に対して第３電極（ベース）を正に、第３電極（ベース）に対して第３電極（コレクタ）を正にしているが、ｐ型の場合はこれらの極性は双方とも負としている。また、測定は室温、大気中で行った。

表２の結果により、実施例１，２，３，４，５において良好なトランジスタ特性が得られ、コレクタ電流はエミッタ電圧により制御された。また、エミッタ電圧が一定のコレクタ電流はあるコレクタ電圧以上で飽和特性を示す事が確認された。エミッタ電圧３Ｖ、コレクタ電圧５Ｖでのコレクタ電流としては５００ｍＡ／ｃｍ²以上が得られており、電流増倍率も１００以上が得られた。一方で、比較例１においてはベース電流が大きくなって電流増倍率が低く、比較例２においては電流増倍率は高いものの、ｏｎ／ｏｆｆ比が低い事から、いずれも実用には課題のある特性しか得られなかった。これらにより、本発明の効果は明瞭である。

本発明の実施形態によれば、縦型の薄膜電流注入型トランジスタにおいて、通常の空気雰囲気で高い電流密度を安定して制御できるトランジスタ素子を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

従来の横型トランジスタ素子の一実施形態を示す概略構成図である。 （ａ）は本発明のトランジスタ素子の一実施形態を示す概略構成図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’での断面図である。 微粒子状態でのアルミニウムと金のイオン化ポテンシャル（ｌｐ）と電子親和力（Ｅａ）の計算結果を示した説明図である。 本発明の素子における、ｎ型半導体を用いた場合のエネルギー準位を示した説明図である。 実施例１におけるコレクタ電流のエミッタ・コレクタ間電圧に対する依存性を示した説明図である。

符号の説明

１０ 基板
２０ 第１電極層
３０ 第１半導体材料層
４０ 金属微粒子分散層（第３電極）
４５ 電極
３１ 第２半導体材料層
２１ 第２電極層
７１ 基板
７２ ゲート電極
７３ ゲート電気絶縁層
７４ 半導体層
７５ ソース電極層
７６ ドレイン電極層

Claims (4)

1. 第１電極と第２電極の間に第１半導体層、第３電極、第２半導体層を配し、前記第３電極から注入される電流によって前記第１電極から前記第２電極に流れる電流を制御するトランジスタ素子であって、
   前記第３電極が金属微粒子を構成要素として含むことを特徴とするトランジスタ素子。
2. 前記第３電極が、少なくとも前記半導体層内に形成された直径１１０ｎｍ以下、Ｄ_０（ｎｍ）以上の金属微粒子を構成要素として含むことを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ素子（但し、Ｄ_０は、前記第１電極から前記第２電極に流れる電流が主として電子によるものである場合は、ベース電極材料の仕事関数と前記第２半導体層の電子親和力の差の絶対値ΔＥ（ｅＶ）に対し（１．８／ΔＥ）（ｎｍ）、前記第１電極から前記第２電極に流れる電流が主として正孔によるものである場合は、ベース電極材料の仕事関数と前記第２半導体層のイオン化ポテンシャルの差の絶対値ΔＥ（ｅＶ）に対し（１．０４／ΔＥ）（ｎｍ）を表す。）。
3. 前記第１半導体層が酸化亜鉛、前記第２半導体層が、酸化インジウム、酸化錫、酸化カドミミウムの少なくともいずれか１つを主成分とし、前記第１電極から前記第２電極に流れる電流が主として電子によるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトランジスタ素子。
4. 前記第１半導体層、前記第２半導体層が、正孔輸送性の有機半導体材料を主成分とし、前記第１電極から前記第２電極に流れる電流が主として正孔によるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトランジスタ素子。

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