JP2008525994A - トンネリング用ダスト電極を有するトランジスター - Google Patents

Abstract

トランジスター様の電子素子は、いわば三極真空管のように動作する。２つの電極（ソース及びドレイン）は、金属微粒子が分散された有機半導体材料の中間層を挟持する。粒子の微細さ及び数により、これらは、電子が一の微粒子から次の微粒子へトンネリングし得るのに充分互いに近接しており、その結果、中間層の端部に印加される電圧によって分散粒子間に電流の流れが引き起こされ、層全体が印加電圧に達する。印加電圧を変更することにより、中間層の電圧の変化が引き起こされ、これにより、ソースとドレインとの間の伝導が制御される。粒子を小さくすることにより、粒子間の開口面積の割合が大きい状態が維持されるため、電子には、中間層の粒子の周囲及び有機材料中を移動する余地があり、高電流を素子に流すことが可能になる。
【選択図】なし

Description

［発明の分野］
本発明は、有機電子材料で作製される薄膜トランジスターに関する。より詳しくは、本発明は、有機電子材料で作製され、ソース電極層、半導体層及びドレイン電極層がこの順に連続的に積層され、ソース電極とドレイン電極との間の電流値が、離れて設けられたゲート電極への電気信号により制御される縦型(vertical)電界効果トランジスターに関する。本発明はまた、かかる縦型電界効果トランジスターの製造方法に関する。

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００４年９月２１日に出願された米国特許仮出願第６０／６１２，２８４号の国内優先権を主張するものであり、その開示は、参照により本明細書に完全に援用される。

無機半導体材料を用いる電界効果トランジスターはよく知られており、既に、工業製品として製造されている。かかる電界効果トランジスターの基本構造に関し、図４に示すように、該電界効果トランジスターは、基板７１に対して横方向に構成される。ソース電極層７５及びドレイン電極層７６は、電気的に中性の無機半導体層（チャネル層領域）７４によって互いに離れて設けられる。ゲート電極７２は、ゲート絶縁層７３によって半導体層７４と電気的に絶縁された状態で基板７１上に配置される。無機半導体層７４は、無機材料、例えば無機アモルファス材料（水素化アモルファスＳｉ）等で形成されるか、又は無機多結晶質材料が無機半導体材料構成成分として使用される。

さらに、半導体層に有機材料を用いる薄膜電界効果トランジスターもよく知られている。有機材料を用いるかかる従来の薄膜電界効果トランジスターに関しても、上記の無機材料を用いる薄膜電界効果トランジスター、すなわち、基板７１に対して横方向に構成されたものと基本的に類似した構造を有するものについて、多くの研究が行なわれている。有機材料、例えば、π電子共役巨大分子化合物又は芳香族化合物等が、半導体層７４を構成する有機半導体材料として使用されており、これは、A. Dodabalapur他によりAppl. Phys. Lett., Vol.69, pp.4227-29（１９９６年１２月）に記載されている。

かかる薄膜電界効果トランジスターでは、ゲート電極層から印加される電界は、ゲート絶縁層を介して半導体層（チャネル部分）に作用することにより、ソース電極層とドレイン電極層との間を流れる電流が制御され、それにより、トランジスター効果が実現する。半導体層に有機材料を用いる薄膜電界効果トランジスターは、半導体層にＳｉ等の無機材料を用いる薄膜電界効果トランジスターと比べ、利点を有する。すなわち、
・ 素子を、真空の使用を伴わずに製造し得る；
・ 広い面積を有する均一な素子が製造され得る；
・ 製造方法が簡単であり、例えば、素子が低温度プロセスを用いて製造され得るため、プラスチック製基板が使用できる。

これらの結果、製造コストが削減され得る。しかしながら、半導体層に有機材料を用いる薄膜電界効果トランジスターには、半導体層にＳｉ等の無機材料を用いる薄膜電界効果トランジスターと比べ、問題もあった。例えば、
ａ） キャリア移動度（これは、トランジスター性能を示す）が低い；
ｂ） 大きな電流を流すことができない；及び
ｃ） 高速動作が可能でない。

これらの問題を解決するための手段として、これまでに、有機材料層をソース電極とドレイン電極との間に配置し、電流フローの方向をこの有機材料層に対して垂直な方向にした構造を採用することが提案されている。例えば、Yang他は、ポリアニリンのメッシュをゲート電極として用いる素子を提案している。より具体的には、Yang他は、「導電性網目構造（conducting network）（．．．この網目構造はフラクタル(fractal)であり、高性能電極としての機能を果たす高表面積を有し．．．ポリマー内へのキャリア注入のための接触面積が増加し．．．表面粗さ．．．が局所電界を増強する）」を提案している。 Y. Yang他, Nature, Vol.372, pp.344 (1994)を参照のこと。フラクタルは、表面上、又は空間内に形成され得る。窓ガラス上の霜は表面上のフラクタルの一例である。フラクタルが空間である一例は、「スポンジ」であり、例えば、一辺を３単位分の寸法とする立方体において、その１単位分の立方体を各面の中心から取り除いて空洞とした後、残りの２１個の１単位分の立方体の各々に対して同じ作業を無限に行なった立方体の塊である。

Muraishi他は、ゲート電極を堆積させる際に、ラテックス球を気相蒸着マスクとして用いることにより、ナノスケールの空隙を内部に有するゲート電極を形成した結果、いくらか(somewhat)スイスチーズに似たゲート電極を得ている。Muraishi他，Technical Report of IEICE, OME2002-15 (2002-05) 13を参照のこと。

また、日本特許出願特開第２００３−１１０１１０号には、有機フィルム側壁上にゲート電極を堆積させる方法が開示されている。

一般に、有機薄膜の厚さは、およそ１００ｎｍの厚さまで減少させることができ、基板に平行な方向でのパターン形成の精度は、１００μｍ程度である。その結果、電流フローの方向を有機薄膜に対して垂直（縦）にすると、電流フローの方向が有機薄膜に対して平行（横）な場合と比べ、電流路の断面積が大きくなり（およそ１００ｎｍ×１００μｍ→１００μｍ×１００μｍ）、電流路の長さは短くなる（およそ１００μｍ→１００ｎｍ）。したがって、電流密度の大きさが数倍増加し得る。

しかしながら、上記のものは、以下の問題を有していた。ゲート電極層からゲート絶縁層を介して印加される電界の範囲は、一般的に１μｍ以下に限定される。具体的には、電界の範囲は、空乏層の厚さｄで表され、下記式から計算される。

ｄ＝（２εε_０Ｖ／ｑＮ_ｄ）^１／２
ここで、Ｎ_ｄは電荷密度であり、下記式：
Ｎ_ｄ＝アボガドロ数×不純物濃度×（１／分子量）×有機半導体材料密度
によって近似的に表される。

例えば、有機半導体材料の誘電率εが３、ゲート電圧Ｖが３Ｖ、分子量が２３０、不純物濃度が０．０１％、及び有機半導体材料密度が２ｇ／ｃｃであるとすると、電荷密度Ｎｄは５．１×１０^２３ｍ^−３及び空乏層の厚さｄは４４ｎｍとなる。（Ｎｄ＝アボガドロ数×不純物濃度×（１／分子量）×有機半導体材料密度＝６×１０^２３×０．０００１×（１／２３０）×２×１０^６＝５．１×１０^２３ｍ^−３）。

ソース電極層とドレイン電極層との間を流れる電流を制御し、従ってトランジスター動作を実現するためには、ゲート電極のそれぞれの部分間の間隔をこの電界範囲未満（すなわち、１μｍ未満）にすることが必要であるが、かかる間隔を有するゲート電極を形成することは、工業的に困難である。例えば、ゲートがスイスチーズに似ている場合、正孔(hole)の直径は、１０^２２ｍ^−３前後でなければならない。

さらに、ゲート電極によって占められる素子の面積の割合が大きい場合、電流路に利用可能な面積が制限される。これは、素子の性能の観点から不都合である。

［発明の概要］
上記の電極の制限をよりよく理解するためには、三極真空管へのアナロジーが役立つ。三極管は、アノード及びカソードとともに、その間にゲート電極を有する。ゲートは、その他の２つの電極間に流れる電流、及びゲートを流れる電流の量を制御し、通常、金属のメッシュ又はグリッドである。回路により印加される電圧に応じて、グリッドは、それが位置する部分に静電電位を生じるだけでなく、電子がメッシュ内の正孔を通過するのを許容する。

最大有効(maximum useful)電流は、グリッドがカソードと同じ電位である場合に流れるが、この電圧では、グリッドはカソードを写し出し(screen)、カソードからアノードへの電子電流はグリッドが存在しない場合に生じ得るものほど大きくない。最大電流をグリッドに通すためには、その開口は大きくなければならない。しかしながら、開口である正孔が大きすぎると、静電界は、消滅しないで正孔の中央に到達することがなく、電流制御がグリッドでの電圧に適正に応答しない。また、ソースとドレインとの間に最大電流が流れるのを許容するためには、ゲート電極の面積を最小限にしなければならない。

三極管のグリッドを、帯電ワイヤの代わりに帯電ダストで作製することができれば、グリッドの投影領域は低減される一方で電界均一性はなお維持されたままであるため、グリッドの効率が増大し得る。もちろん、これは、真空管では、ダストを所定の位置に保持し得るものが何もないため、可能でない。仮にダストがどうにか保持され得ると仮定しても、真空は絶縁性であるため、高真空内に漂うダストを帯電させる問題が残り得る。しかしながら、ダスト粒子が互いに充分近接していれば、電子は、量子力学的「トンネリング」によって或る１つのダスト粒子から次のダスト粒子へと通過し得る。

かかる粒子が非常に小さい場合、これらは、互いの間に高比率の開口面積を維持したまま、トンネリングを可能にするのに充分近接することができ、これらの周囲での電流の通過が可能になる。このことは、水玉模様の紙を想定することにより理解され得る。模様を縮めると、白い空間の割合は同じであっても水玉間の間隔は小さくなる。

三極管内には高真空が存在するが、三極管内に何らかのガスが存在すればそのガスが導電性となる可能性があり、グリッド上の電子は、そこから出て周囲空間内へと移動し、真空管は誤動作する恐れがある。

本発明は半導体素子に関する。上記の従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、有機半導体材料を用いる３端子トランジスター素子であって、優れた性能及び高生産性をもたらす素子構造を有する３端子トランジスター素子を提供することである。

本発明のトランジスター素子は、第１電極と第２電極との間に有機材料層が配置されるトランジスター素子であって、金属微粒子分散体層が有機材料層内に配置され、電荷が第１電極及び第２電極と離れた第３電極から該金属微粒子分散体層内にトンネル電流によって注入され、それにより第１電極と第２電極との間を流れる電流が制御されるトランジスター素子である。

本発明のトランジスター素子によれば、ゲート電極は金属微粒子分散体層から形成され、したがって、各々の金属微粒子の電位制御はトンネル電流によって達成される。したがって、個々の金属微粒子の各々に対するワイヤリングを要しない。したがって、ゲート電極を形成する際に、微細なパターン形成が必要とされない。よって、素子の生産性が改善される。

さらに、好ましくは、金属微粒子分散体層が、高濃度の金属微粒子を有する部分と低濃度の金属微粒子を有する部分とを含み、高濃度の金属微粒子を有する部分が第３電極と接触している。その結果、高濃度の金属微粒子を有する部分は低電気抵抗を有するため、第３電極からの距離が大きい場合であっても、高濃度の金属微粒子を有する部分を介して電流が供給され得る。

さらに、金属微粒子分散体層は、好ましくは、有機材料と金属の同時真空蒸着（共蒸着）により形成される。その結果、有機材料内への金属微粒子の分散が、容易に且つ広い面積にわたって行なわれ得る。

さらに、金属微粒子の表面は、好ましくは、金属の酸化膜で被覆されている。その結果、金属微粒子の表面上の金属酸化膜が被覆状のゲート絶縁層としての機能を果たし、したがって、印加される電界によるソース電極層とドレイン電極層との間を流れる電流の制御が可能になる。ダスト粒子が半導体材料によって囲まれている場合、ダスト粒子上の任意の電荷は、この半導体材料を介してリークし得る。ダスト粒子が絶縁されている場合は、トンネリングによる粒子から粒子への伝導は阻止されないが、周囲媒体を介する漏れ(leakage)は阻止される。

さらに、金属微粒子はアルミニウム又はマグネシウムから成ることが特に好ましい。アルミニウム又はマグネシウムでは真空蒸着等のプロセスが容易であり、さらに、酸化膜がアルミニウム又はマグネシウムの表面上で容易に生成され、本発明の素子への適用が容易になるため、アルミニウム又はマグネシウムが好適に使用され得る。

本発明によれば、有機半導体材料を用いる３端子トランジスター素子であって、優れた性能及び高生産性をもたらす素子構造を有する３端子トランジスター素子が提供される。

［好ましい実施形態の詳細な説明］
以下には、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の３端子トランジスター素子の一実施形態の構成を示す概略図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、このトランジスター素子では、第１電極層２０、有機半導体材料層３０、金属微粒子分散体層４０、有機半導体材料層３１、及び第２電極層２１が、薄膜として連続的に基板１０上に形成されている。電流は、第３電極４５から金属微粒子分散体層４０内にトンネル電流により注入される。

さらに、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明の３端子トランジスター素子の別の実施形態の構成を示す概略図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）では、金属微粒子分散体層４０は、ストライプ状に形成されている。すなわち、金属微粒子分散体層４０は、高濃度の金属微粒子を有する部分４６がストライプ状に形成され、低濃度の金属微粒子を有する部分４７がその間及び／又はその周囲に存在するように構成されている。この構成によれば、電気抵抗は、高濃度の金属微粒子を有する部分でより低くなり、したがって、第３電極４５からの距離が大きい場合であっても、電流は高濃度の金属微粒子を有する部分を介して供給され得る。さらに、低濃度の金属微粒子を有する部分４７は、第１電極と第２電極との間を流れる電流の経路として有効に機能を果たす。例えば、金属微粒子分散体層を真空蒸着によって形成する場合、この構成は、マスクを用いた気相蒸着により段階的に形成され得るか、又はマスクと基板との間の距離を大きくするか若しくは減圧を大きくし、堆積する材料に広がりを生じせしめて、得られた金属微粒子分散体層の形状のにじみ(blurring)を利用することによっても形成され得る。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、金属微粒子の濃度は、簡略化のため２つのレベルを有するように示したが、金属微粒子の濃度が連続的分布を有する場合でも効果は同じである。

本発明の素子を、図３（ａ）及び図３（ｂ）に図示する従来の縦型トランジスターと比べると、金属のみで構成されている従来のゲート電極では、従来のゲート電極部分は、第１電極と第２電極との間を流れる電流（ソース−ドレイン電流）の経路としての機能を果たさず、したがって、電流に有効な断面積は制限される。しかしながら、本発明の素子では、ゲート電極が金属微粒子分散体層から構成されており、したがって、ソース−ドレイン電流は、金属微粒子間の隙間を流れることができる。したがって、電流に有効な断面積が増大し得る。

さらに、本発明の素子では、ソース−ドレイン電流が金属微粒子に近接して通過するため、制御性が改善される。或いはまた、ストライプ型の電極形状が、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、金属微粒子分散体層内にのみ設けられる有機材料層の部分に採用される場合であっても、低濃度の金属微粒子を有する部分４７が、ゲート電極の部分とソース−ドレイン電流の経路の部分との両方の機能を果たし、したがって、ゲート電極の部分間の間隔を従来のものより広くすることができる。したがって、電極の形成を単純にすることだけでなく、ソース−ドレイン電流を有効に大きくすることも可能になる。

基板１０に対して特に制限はないが、従来のガラス基板等を用いることが好ましい。さらに、第１電極層２０及び第２電極層２１に対して特に制限はなく、例えば、アルミニウム、金、銀、ニッケル又は鉄等の金属材料、例えば、ＩＴＯ又は炭素等の無機材料、例えば、共役有機材料又は液晶等の有機材料、例えば、シリコン等の半導体材料等を適宜選択することが可能である。

これらの材料に関し、有機半導体材料層３０又は３１の有機半導体材料内への電荷の注入は、金属電極の仕事関数に大きく依存することが知られている。ここで、第１電極層又は第２電極層の仕事関数は、電子を対象の材料の表面から取り出すのに必要とされる最小エネルギーを意味し、電極材料に特徴的な値である。仕事関数は、大気中において光電子放出スペクトルから測定され得る。絶対値の小さい仕事関数を有する電極材料の例としては、アルミニウム、リチウム、マグネシウム及びカルシウムが挙げられ、これらは、有機材料内への電子注入に好適である。

他方の電極では、仕事関数は、電極材料から正孔を容易に出す（すなわち、容易に電子を吸収する）ために大きくなければならない。さらに、絶対値の大きい仕事関数を有する材料の例としては、金、クロム、白金及びＩＴＯが挙げられる。これらは、有機材料内への正孔の注入に好適である。

第１電極層２０及び第２電極層２１を形成する方法に対して特に制限はなく、従来の既知の薄膜形成法、例えば、真空蒸着法、又はスピンコート方式等の塗布方法を用いることが好ましい。薄膜の各々を真空蒸着によって形成する場合、蒸着時の基板温度は、用いる電極材料に応じて適宜選択されるが、好ましくは、０℃〜１５０℃の範囲である。さらに、電極層の各々の厚さは、好ましくは、５０〜２００ｎｍの範囲である。

次に、有機半導体材料層３０及び３１の各々に使用される好ましい有機半導体材料の例としては、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の中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、ペリレン系化合物、及びそれらの誘導体の中から選択される染料；アミノイミダゾール系化合物、ジシアノ系化合物、ピリドン系化合物、スチリル系化合物、スチルベン系化合物、キノメタン系化合物、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、トリアリールアミン化合物、及びそれらの誘導体の中から選択される低分子量化合物；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の中から選択される巨大分子化合物；並びにフルオレノン系、ジフェノキノン系、ベンゾキノン系、アントラキノン系、及びインデノン系化合物が挙げられる。しかしながら、これらの例に限定されない。

次に、金属微粒子分散体層４０に関して説明する。本発明の特性は、金属微粒子及び有機半導体材料を含む金属微粒子分散体層４０が、有機半導体材料層３０と有機半導体材料層３１との間に配置されることである。任意の種々の金属材料が金属微粒子に使用され得る。例えば、アルミニウム、マグネシウム、金、銀、銅、白金、カルシウム、リチウム、ロジウム等が、適宜選択され得るが、特に限定されない。しかしながら、有機半導体材料層に対する電界効果を促進するため、酸化膜等の絶縁膜を金属表面上に形成することが効果的である。したがって、かかる酸化膜が容易に形成されるアルミニウム又はマグネシウムを用いることが好ましい。さらに、金属微粒子分散体層４０に用いられる有機半導体材料として、有機半導体材料層３０及び３１の場合と同じ材料が使用され得る。例えば、アミノイミダゾール系化合物、ジシアノ系化合物、及びキノメタン系化合物は、アルミニウムに対して高親和性を有するか、又はこれと容易に化合物を形成し、それにより、高抵抗膜が金属微粒子の表面上に容易に形成され得る。したがって、このような材料はすべて、金属微粒子分散体層４０に用いられる有機半導体材料として好適である。

金属微粒子分散体層４０の形成方法としては、真空蒸着等を用い、金属微粒子と有機半導体材料を共蒸着させることが好ましい。その結果、金属が気化するため、大きさが５〜２０ｎｍの金属微粒子が得られ得る。さらに、かかる共蒸着によって、金属微粒子と有機半導体材料との均一なハイブリッド薄膜が得られ得る。

共蒸着は、従来の気相蒸着装置を用いて、有機半導体材料層３０及び３１の堆積のときと同様の条件下で用いて行ない得る。基板温度は、用いる有機材料に応じて適宜選択され、０〜１５０℃が好ましい。さらに、真空度に関しては、共蒸着は、好ましくは、１０^−５ｔｏｒｒ以下の圧力で行なう。さらにまた、共蒸着における金属微粒子と有機半導体材料との容量比は、好ましくは、１０：１〜１：２０の範囲である。さらに、金属微粒子分散体層４０の厚さは、好ましくは、３〜２００ｎｍの範囲である。このようにして形成される金属微粒子分散体層では、金属微粒子は互いに接触していないが、電圧が印加されると、トンネル効果によって電流が流れ、金属微粒子の電位が制御され得る。

さらに、金属微粒子の仕事関数は、概ね有機半導体材料のエネルギーギャップ以内である。したがって、いったん電荷が金属微粒子内に注入されたら、この電荷は、有機半導体材料内に移動しにくくなる。したがって多くの場合、電界効果は、いわゆるショットキー効果により作用する。それでもなお、金属微粒子由来の電界効果を信頼性のあるものにするためには、金属微粒子及び有機半導体材料が、互いに、金属酸化膜被覆等によって電気的に絶縁されることが望ましい。真空蒸着によってアルミニウム又はマグネシウムを用いて金属微粒子を形成する場合には、残留ガスとして真空内に含まれる酸素又は水分等の酸化性ガスによって、厚さがおよそ数ｎｍの酸化膜が金属微粒子の表面上に容易に形成され得る。

さらに、金属微粒子分散体層４０はまた、スピンコート方式等の塗布方法を、有機半導体材料層３０及び３１が形成されるときのものと同様の条件下で用いて形成され得る。この場合、塗布溶剤としては、特に白金又はロジウム等の金属を金属微粒子として用いる場合には、この材料が容易に分散され得る溶剤、例えば、エチルアルコール、メチルアルコール又はプロピルアルコール等のアルコール、例えば、エチレングリコール等のグリコール、ＴＨＦ、エチレングリコールジメチルエーテル又は純水を用いることが好ましい。

有機半導体材料は、０．００１〜３０質量％の範囲の量で塗布溶剤中に溶解され、金属微粒子は、０．００１〜３０質量％の範囲の量で分散される。さらに、バインダー樹脂を必要に応じて添加してもよく、このようにして塗布用液を作製する。バインダー樹脂としては、例えば、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリスチレン等が使用され得る。スピンコート方式の条件は、目的の膜厚に従って適宜設定され得るが、回転速度は、好ましくは２００〜３，６００ｒｐｍの範囲である。さらに、金属微粒子分散体層４０の厚さは、好ましくは３〜２００ｎｍの範囲である。ナノメートル単位の大きさを有する、かかる金属微粒子は、例えば、田中貴金属工業株式会社等の企業から一般的に市販されている製品として容易に入手可能である。

以下には、実施例により、本発明のトランジスター素子のより詳細な説明を提供する。４つの実施例と１つの比較例と１つの試験例とを説明する。

<実施例１>
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す構成を有するトランジスター素子を、以下の手順に従って製造した。ガラス基板を基板１０として用い、第１電極層２０、有機半導体材料層３０、金属微粒子分散体層４０、有機半導体材料層３１、及び第２電極層２１を、連続的に薄膜として、それぞれ、１００ｎｍ、４０ｎｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍ及び１００ｎｍの厚さに、真空蒸着法を用いて形成した。このようにして実施例１のトランジスター素子を形成した。

各層の蒸発源としては、第１電極層２０及び第２電極層２１には金を用い、有機半導体材料層３０及び３１には、銅フタロシアニン（Aldrich製）を用いた。さらに、金属微粒子分散体層４０は、アルミニウムと銅フタロシアニンを３：１の容量比で共蒸着させることにより形成した。

蒸着は、抵抗加熱法（resistive heating method）により、気相蒸着装置を拡散ポンプを用いて排気しながら、３×１０^−６ｔｏｒｒの真空で行なった。残留ガスは、特に金属微粒子分散体層を形成する場合は、７０％水分とした。

<実施例２>
蒸着は、金属微粒子分散体層４０を、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すような３００μｍのピッチのストライプ状に形成したこと以外は、実施例１の場合と同じ条件下で行なった。このようにして、実施例２のトランジスター素子を得た。金属微粒子分散体層４０のストライプの形成においては気相蒸着マスクを使用し、そのマスク幅を５０μｍとした。基板とマスクとの間隔は１．０ｍｍとした。

<実施例３>
蒸着は、金属微粒子分散体層を、アルミニウムと銅フタロシアニンを、１：３の容量比、１０ｎｍの膜厚、２００μｍのマスク幅の条件で蒸着し、次いで、アルミニウムと銅フタロシアニンを、３：１の容量比、１０ｎｍの膜厚、５０μｍのマスク幅、基板とマスクとの間隔０．３ｍｍの条件で蒸着することにより得たこと以外は、実施例２の場合と同じ条件下で行なった。このようにして、実施例３のトランジスター素子を得た。

<実施例４>
蒸着は、ペンタセン（Aldrich製）を、有機半導体材料層３０及び３１の代わりに用いたこと以外は、実施例２の場合と同じ条件下で行なった。このようにして、実施例４のトランジスター素子を得た。

<比較例>
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す素子構成に従い、金属微粒子分散体層４０を使用するのではなく、金属のみで作製されたゲート電極４８を、３００μｍのピッチのストライプ状に形成した。金属ゲート層４８のストライプの形成においては気相蒸着マスクを使用し、基板とマスクとの間隔を０．３ｍｍとした。これ以外は、蒸着は実施例２の場合と同じ条件下で行なった。このようにして、比較例のトランジスター素子を得た。

<試験例>
実施例１、２、３及び４の各々について、金属微粒子分散体層単独の電気抵抗を、基板と平行な方向で測定した。電流路断面３５ｍｍ×２０ｎｍ及び電流路の長さ３０ｍｍの条件での電気抵抗は、実施例１、２、３及び４の全ての場合でおよそ４〜８ｋΩの範囲であった。したがって、電気伝導は、金属微粒子が互いに接触していなくても確保されていることが確認された。

さらに、実施例２及び４それぞれの金属微粒子分散体層では、マスク幅は５０μｍであったが、金属微粒子の広がりは、各面においておよそ１００μｍにわたって見られた。換言すると、気相蒸着マスクと基板との間の距離を大きくすることにより、幅５０μｍの高濃度の金属微粒子を有する部分の各両側に、幅１００μｍの低濃度の金属微粒子を有する部分を形成させることができた。したがって、３００μｍ電極ピッチの少なくとも２５０μｍを金属微粒子分散体層で被覆させることができた。また、目視で観測できないレベルで、より高い比率で被覆されていたかもしれないことが考えられる。これとは対照的に、実施例３及び比較例１では、かかる広がりはほとんど見られず、その量は、わずかおよそ１０μｍであった。

実施例１〜４及び比較例１のそれぞれのトランジスター素子について、３Ｖの電圧を第１電極と第２電極との間に印加し、ゲート電極４５の電圧を０Ｖから２Ｖに変化させた時のソース−ドレイン電流の変化を測定した。結果を表１に示す。測定は室温で行なった。

表１の結果から、実施例１、２、３及び４では、ゲート電圧を変化させるとソース−ドレイン電流の変化が観測され、オン／オフ比について大きな値が得られたことがわかる。他方、比較例では、ソース−ドレイン電流の変化は小さく、したがって、本発明の効果は明白である。

本発明のトランジスター素子の一実施形態の構成を示す概略図（ａ）、及びそのＡ−Ａ’の線に沿った断面図（ｂ）である。 本発明のトランジスター素子の一実施形態の構成を示す概略図（ａ）、及びそのＡ−Ａ’の線に沿った断面図（ｂ）である。 従来の縦型トランジスター素子の構成を示す概略図（ａ）、及びそのＡ−Ａ’の線に沿った断面図（ｂ）である。 従来の横型トランジスター素子の構成を示す概略図である。

Claims (20)

1. 第１電極、第２電極、及び第３電極と、
   該第１電極と該第２電極との間に配置される有機材料層と、
   該有機材料層内に配置される金属微粒子分散体層とを備えるトランジスター素子であって、
   電荷が、前記第１電極及び前記第２電極から離れた前記第３電極から、前記金属微粒子分散体層内にトンネル電流によって注入され、それにより該第１電極と該第２電極との間を流れる電流が制御される、トランジスター素子。
2. 前記金属微粒子の表面が該金属の酸化膜によって被覆されている、請求項１に記載のトランジスター素子。
3. 前記金属微粒子分散体層が、高濃度の金属微粒子を有する部分と低濃度の金属微粒子を有する部分とを含み、該高濃度の金属微粒子を有する部分が前記第３電極と接触している、請求項１に記載のトランジスター素子。
4. 前記金属微粒子の表面が該金属の酸化膜によって被覆されている、請求項３に記載のトランジスター素子。
5. 前記金属微粒子がアルミニウム又はマグネシウムから成る、請求項１に記載のトランジスター素子。
6. 第１電極、第２電極、及び第３電極と、
   該第１電極と該第２電極との間に配置される有機材料層と、
   有機材料と金属の共蒸着によって形成され、前記有機材料層内に配置される金属微粒子分散体層とを備えるトランジスター素子であって、
   電荷が、前記第１電極及び前記第２電極から離れた前記第３電極から、前記金属微粒子分散体層内にトンネル電流によって注入され、それにより該第１電極と該第２電極との間を流れる電流が制御される、トランジスター素子。
7. 前記金属微粒子の表面が該金属の酸化膜によって被覆されている、請求項６に記載のトランジスター素子。
8. 前記金属微粒子がアルミニウム又はマグネシウムから成る、請求項６に記載のトランジスター素子。
9. 前記金属微粒子分散体層が、高濃度の金属微粒子を有する部分と低濃度の金属微粒子を有する部分とを含み、該高濃度の金属微粒子を有する部分が前記第３電極と接触している、請求項６に記載のトランジスター素子。
10. 前記金属微粒子の表面が該金属の酸化膜によって被覆されている、請求項９に記載のトランジスター素子。
11. 金属微粒子分散体を内部に含む有機材料のシートを備える電極ゲートであって、
    該金属微粒子の間隔が、該シートの少なくとも一端部に印加される電圧により、該金属微粒子分散体の隣接粒子間での電子トンネリングが引き起こされ、それにより、該電極ゲートが、前記シート中の電子トンネリングを含む電流フローによって印加電圧に達するような間隔である、電極ゲート。
12. 前記金属微粒子の表面が該金属の酸化膜によって被覆されている、請求項１１に記載の電極ゲート。
13. 前記金属微粒子分散体が、高濃度の金属微粒子を有する部分と低濃度の金属微粒子を有する部分とを含み、該高濃度の金属微粒子を有する部分が、前記電圧が印加される前記端部を含む、請求項１１に記載の電極ゲート。
14. 前記金属微粒子の表面が該金属の酸化膜によって被覆されている、請求項１３に記載の電極ゲート。
15. 前記金属微粒子がアルミニウム又はマグネシウムを含む、請求項１１に記載の電極ゲート。
16. 前記金属微粒子の仕事関数が、概ね前記有機材料のエネルギーギャップ以内である、請求項１１に記載の電極ゲート。
17. 前記金属微粒子を、前記シートの厚さ方向の中央部に局在させる、請求項１１に記載の電極ゲート。
18. 前記有機材料が有機半導体材料である、請求項１１に記載の電極ゲート。
19. 固体金属ストライプ型電極を含む、請求項１１に記載の電極ゲート。
20. 前記金属微粒子と前記有機材料との共蒸着を含む、請求項１１に記載のゲートの形成方法。