JP2009088377A - Organic field effect transistor, method for manufacturing organic field effect transistor, semiconductor device and electronic equipment - Google Patents

Organic field effect transistor, method for manufacturing organic field effect transistor, semiconductor device and electronic equipment Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic field effect transistor for easily obtaining a structure suitable for both hole injection from a source electrode and electronic injection from a drain electrode, and for simplifying a manufacturing process. <P>SOLUTION: This organic field effect transistor is provided with: a drain electrode 13 on a substrate; a channel layer 14 formed so as to be brought into contact with the drain electrode 13 on the substrate, and made of an acene chalcogen system molecule having an eternal plane structure for at least a C2h symmetrical operation; and a source electrode 15 formed on the channel layer 14 so as to be brought into contact with the channel layer 14. An angle made by at least a portion of a section brought into contact with a channel 16 formed in the channel layer 14 in an interface between the source electrode 15 and the channel layer 14 and the long axis of the acene chalcogen system molecule is set so as to be larger than an angle made by at least a portion of a section brought into contact with the channel 16 in an interface between the drain electrode 13 and the channel layer 14 and the long axis of the acene chalcogen system molecule. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、有機電界効果トランジスタ、有機電界効果トランジスタの製造方法、半導体装置及び電子機器に関し、特に、ambipolar （同時両極性）有機電界効果トランジスタ及びこれを用いた各種の電子機器に適用して好適なものである。   The present invention relates to an organic field effect transistor, a method for manufacturing an organic field effect transistor, a semiconductor device, and an electronic device, and is particularly suitable for being applied to an ambipolar organic field effect transistor and various electronic devices using the same. It is a thing.

ambipolar有機電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、有機材料からなるチャネル層へ電子とホールとを同時に注入可能であることを特徴とするデバイスであり、それらの注入された電子とホールとがチャネル層内で再結合することによる発光、及び、本来のＦＥＴとしてのスイッチ機能を併せ持つ新規多機能デバイスとして期待されている（例えば、非特許文献１、２参照。）。従来の一般的な ambipolar有機ＦＥＴは、ソース電極及びドレイン電極ともに同じ金属を用い、ソース電極及びドレイン電極とチャネル層との接合部も同じ構造であった。そのため、ソース電極からのホール注入、及び、ドレイン電極からの電子注入の双方に適したデバイス構造になっておらず、デバイスの性能を悪化させる要因となっている。これを改善するために、ソース電極、ドレイン電極のそれぞれに互いに仕事関数の異なる金属を用い、ホール注入と電子注入とのバランスを改善するという方法が検討されている。    An ambipolar organic field effect transistor (FET) is a device that is capable of injecting electrons and holes into a channel layer made of an organic material at the same time. It is expected as a new multifunctional device having both light emission by recombination and a switching function as an original FET (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2). In the conventional general ambipolar organic FET, the same metal is used for both the source electrode and the drain electrode, and the junction between the source electrode and the drain electrode and the channel layer has the same structure. Therefore, the device structure is not suitable for both hole injection from the source electrode and electron injection from the drain electrode, which is a factor that deteriorates the performance of the device. In order to improve this, a method of improving the balance between hole injection and electron injection by using metals having different work functions for the source electrode and the drain electrode has been studied.

E. J. Meijer et al., Nature Mater. 2, 678 (2003)E. J. Meijer et al., Nature Mater. 2, 678 (2003) 坂上、藤原、山田、多田、分子構造総合討論会２００４講演要旨集 1A10Sakaue, Fujiwara, Yamada, Tada, Abstracts of Molecular Structures 2004 Proceedings 1A10

しかしながら、上記の方法は、ソース電極、ドレイン電極のそれぞれに互いに異なる種類の金属を用いるというデバイスプロセス上の煩雑さに加えて、金属の種類を変えることによるソース電極及びドレイン電極の仕事関数の調整量にも限界があるため、その改善効果も限定的であった。   However, in the above method, the work function of the source electrode and the drain electrode is adjusted by changing the metal type in addition to the complexity of the device process in which different types of metals are used for the source electrode and the drain electrode, respectively. Since the amount is limited, the improvement effect was also limited.

そこで、この発明が解決しようとする課題は、 ambipolar有機電界効果トランジスタにおいて、ソース電極からのホール注入、及び、ドレイン電極からの電子注入の双方に適した構造を容易に得ることができ、かつ、製造プロセスも簡単な有機電界効果トランジスタ及びその製造方法並びにこの有機電界効果トランジスタを有する半導体装置を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の優れた有機電界効果トランジスタを用いた高性能の電子機器を提供することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is that an ambipolar organic field effect transistor can easily obtain a structure suitable for both hole injection from the source electrode and electron injection from the drain electrode, and An organic field effect transistor having a simple manufacturing process, a method for manufacturing the same, and a semiconductor device having the organic field effect transistor are provided.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a high-performance electronic device using the above-described excellent organic field effect transistor.

本発明者は、従来技術が有する上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った。以下その概要について説明する。
一般的なボトムコンタクトによるambipolar 有機ＦＥＴの構造を図１１に示す。図１１に示すように、このambipolar 有機ＦＥＴにおいては、ゲート電極１０１上にゲート絶縁膜１０２が設けられ、その上にソース電極１０３及びドレイン電極１０４が設けられ、これらのソース電極１０３及びドレイン電極１０４を覆うように有機材料からなるチャネル層１０５が設けられている。このデバイス構造において、ソース電極１０３及びドレイン電極１０４に同種の金属を用いた場合のエネルギーダイアグラムは図１２Ａ（接合前）及び図１２Ｂ（接合後電圧印加）に示すようになる。ソース電極１０３及びドレイン電極１０４を構成する金属のフェルミ準位（ＥF ）がチャネル層１０５を構成する有機材料のＨＯＭＯ（最高被占軌道）−ＬＵＭＯ（最低空軌道）エネルギーギャップの中央付近にあると仮定すると、図１２Ｂに示すように、ソース電極１０３からのホール注入、及び、ドレイン電極１０４からの電子注入時にソース電極１０３とチャネル層１０５との界面及びドレイン電極１０４とチャネル層１０５との界面にそれぞれＩh 及びＩe で表される注入障壁が存在するため、チャネル層１０５へのホール及び電子の注入が阻害され、デバイスの性能を著しく悪化させる。このデバイス構造において、ソース電極１０３及びドレイン電極１０４の材料に仕事関数がより大きな金属を用いれば、Ｉh は低下させることができるが、逆にＩe は増大するため、 ambipolar有機ＦＥＴに要求される電子とホールとの同時注入という条件を満たせず、デバイスとしての特性の改善は期待できない。そのため、このような ambipolar有機ＦＥＴにおいてチャネル層１０５へのホール及び電子の双方の注入を促進するためには、ソース電極１０３及びドレイン電極１０４の材料に、互いに仕事関数の異なる金属を用いる方法しか対策がないのが現状である。 This inventor earnestly examined in order to solve said subject which a prior art has. The outline will be described below.
FIG. 11 shows the structure of a ambipolar organic FET with a general bottom contact. As shown in FIG. 11, in this ambipolar organic FET, a gate insulating film 102 is provided on a gate electrode 101, a source electrode 103 and a drain electrode 104 are provided thereon, and the source electrode 103 and the drain electrode 104 are provided. A channel layer 105 made of an organic material is provided so as to cover the surface. In this device structure, when the same kind of metal is used for the source electrode 103 and the drain electrode 104, the energy diagrams are as shown in FIGS. 12A (before bonding) and FIG. 12B (voltage application after bonding). The Fermi level (E F ) of the metal constituting the source electrode 103 and the drain electrode 104 is near the center of the HOMO (highest occupied orbit) -LUMO (lowest empty orbit) energy gap of the organic material constituting the channel layer 105. As shown in FIG. 12B, the interface between the source electrode 103 and the channel layer 105 and the interface between the drain electrode 104 and the channel layer 105 at the time of hole injection from the source electrode 103 and electrons from the drain electrode 104 are assumed. Since there are injection barriers represented by I h and I e , respectively, injection of holes and electrons into the channel layer 105 is hindered, and the device performance is remarkably deteriorated. In this device structure, the use of the larger metal work function to the material of the source electrode 103 and drain electrode 104, although I h can be reduced, since I e increases conversely, is required to ambipolar organic FET However, the conditions of simultaneous injection of electrons and holes cannot be satisfied, and improvement in device characteristics cannot be expected. Therefore, in order to promote the injection of both holes and electrons into the channel layer 105 in such an ambipolar organic FET, only the method using metals having different work functions as the materials of the source electrode 103 and the drain electrode 104 can be used. There is no current situation.

本発明者は、このような状況の下で鋭意研究を行った結果、チャネル層を構成する有機材料として、ヘキサチオペンタセンなどの、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子を用い、しかも、ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部とチャネル層を構成するアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度を、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度より大きくすることにより、 ambipolar有機ＦＥＴにおいて、ソース電極及びドレイン電極の材料に互いに仕事関数の異なる金属を用いないでも、チャネル層へのホール及び電子の双方の注入を最適化することができることを見出し、この知見に基づいてさらに検討を行った結果、この発明を案出するに至った。   As a result of intensive studies under such circumstances, the present inventor has found that an acene chalcogen having a planar structure that is invariant to at least a C2h symmetrical operation, such as hexathiopentacene, as an organic material constituting the channel layer. The angle formed between at least a part of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and the major axis of the acene chalcogen molecule constituting the channel layer In the ambipolar organic FET by increasing at least part of the interface between the drain electrode and the channel layer and the long axis of the acene chalcogen-based molecule. Without using metals with different work functions as materials, both holes and electrons can be injected into the channel layer. As a result of finding out that it can be optimized and conducting further studies based on this finding, the present invention has been devised.

すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタである。 That is, in order to solve the above problem, the first invention
A drain electrode provided on the substrate;
A channel layer made of an acene chalcogen-based molecule having a planar structure invariant to at least a C2h symmetry operation, which is provided on the substrate in contact with the drain electrode;
A source electrode provided in contact with the channel layer on the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel The organic field-effect transistor is characterized in that an angle formed by at least a part of a portion in contact with the channel in an interface with a layer and a major axis of the acene chalcogen-based molecule is different from each other.

第２の発明は、
基板上にドレイン電極を形成する工程と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層を形成する工程と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触してソース電極を形成する工程とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なるようにする
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタの製造方法である。 The second invention is
Forming a drain electrode on the substrate;
Forming a channel layer made of an acene chalcogen-based molecule having a planar structure that is invariant to at least C2h symmetry operation in contact with the drain electrode on the substrate;
Forming a source electrode on the channel layer in contact with the channel layer,
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel An organic field effect transistor manufacturing method characterized in that at least a part of a portion of the interface with a layer that contacts the channel and an angle formed by a major axis of the acene chalcogen-based molecule are different from each other. is there.

第１及び第２の発明において、チャネル層の材料として用いられる、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子は特に限定されないが、具体的には、例えば、ヘキサチオペンタセン（ＨＴＰ）、テトラチオテトラセン（ＴＴＴ）、ヘキサチオアントラセン（ＨＴＡ）、テトラセレノテトラセン（ＴＳｅＴ）、テトラテルルテトラセン（ＴＴｅＴ）などである。このアセンカルコゲン系分子の長軸は、典型的には、ゲート絶縁膜あるいは基板に対してほぼ垂直に配向させるが、必ずしもこれに限定されない。ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部、好適には全部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度は、典型的には、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部、好適には全部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度より大きく選ばれるが、これに限定されず、ソース電極及びドレイン電極の材料に用いる金属の種類などによっては逆の場合もあり得る。具体例を挙げると、ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度がほぼ９０°、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度がほぼ０°である。あるいは、ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部と基板とが互いにほぼ平行、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部と基板とが互いにほぼ垂直である。この場合、ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部におけるアセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最大、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部におけるアセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最小である。ソース電極及びドレイン電極の材料としては、プロセスの簡略化の観点からは、好適には、互いに同一の種類の金属が用いられるが、必ずしもこれに限定されない。また、ゲート電極をチャネル層の両面（上面及び下面）のいずれの側に設けるかは、必要に応じて決められる。いわゆるボトムゲート型の有機電界効果トランジスタでは、基板がゲート電極を有し、特に絶縁ゲート型の有機電界効果トランジスタでは、ゲート電極とチャネル層との間にゲート絶縁膜が設けられるが、ＭＥＳ（金属−半導体）型の有機電界効果トランジスタでは、ゲート絶縁膜は設ける必要がない。いわゆるトップゲート型の有機電界効果トランジスタでは、チャネル層の基板と反対側の面上にゲート電極が設けられる。基板はトランジスタの支持基板を兼用するものであり、透明であっても不透明であってもよく、有機材料からなるものであっても無機材料からなるものであってもよい。場合によっては、基板自身がゲート電極あるいはゲート電極及びゲート絶縁膜からなるものであってもよい。   In the first and second inventions, the acene chalcogen-based molecule having a planar structure that is invariant to at least the C2h symmetry operation used as the material of the channel layer is not particularly limited. Examples include pentacene (HTP), tetrathiotetracene (TTT), hexathioanthracene (HTA), tetraselenotetracene (TSeT), and tetratellurtetracene (TTeT). The major axis of the acene chalcogen-based molecule is typically oriented substantially perpendicular to the gate insulating film or substrate, but is not necessarily limited thereto. The angle formed by at least a part, preferably all, of the interface between the source electrode and the channel layer and the major axis of the acene chalcogen-based molecule is typically determined between the drain electrode and the channel layer. The material of the source electrode and the drain electrode is not limited to this, but is selected to be larger than the angle formed by at least a part, preferably the whole, of the interface of the interface and the major axis of the acene chalcogen-based molecule. Depending on the type of metal used, the reverse may occur. As a specific example, the angle formed by at least a part of the interface between the source electrode and the channel layer that contacts the channel and the major axis of the acene chalcogen-based molecule is approximately 90 °, and the drain electrode and the channel layer The angle formed by at least a part of the interface in contact with the channel and the long axis of the acene chalcogen-based molecule is approximately 0 °. Alternatively, at least a part of the interface between the source electrode and the channel layer and the substrate are substantially parallel to each other, and at least a part of the interface between the drain electrode and the channel layer that is in contact with the channel And the substrate are substantially perpendicular to each other. In this case, the surface density of the hydrogen atoms constituting the acene chalcogen-based molecule in at least a part of the interface between the source electrode and the channel layer in contact with the channel is almost the maximum, and the interface between the drain electrode and the channel layer. The area density of the hydrogen atoms constituting the acene chalcogen-based molecule in at least a part of the portion in contact with the channel is almost minimum. As the material for the source electrode and the drain electrode, from the viewpoint of simplifying the process, the same type of metal is preferably used, but is not necessarily limited thereto. In addition, it is determined as necessary whether the gate electrode is provided on both sides (upper surface and lower surface) of the channel layer. In a so-called bottom gate type organic field effect transistor, the substrate has a gate electrode. In particular, in an insulated gate type organic field effect transistor, a gate insulating film is provided between the gate electrode and the channel layer. In a (semiconductor) type organic field effect transistor, it is not necessary to provide a gate insulating film. In a so-called top gate type organic field effect transistor, a gate electrode is provided on the surface of the channel layer opposite to the substrate. The substrate also serves as a supporting substrate for the transistor, and may be transparent or opaque, and may be made of an organic material or an inorganic material. In some cases, the substrate itself may be composed of a gate electrode or a gate electrode and a gate insulating film.

第３の発明は、
基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ有する
ことを特徴とする半導体装置である。
この半導体装置は、例えば、上記の有機電界効果トランジスタを同一の基板上に二次元アレイ状に複数配置した半導体集積回路であるが、これに限定されず、各種の用途及び機能を有する各種の半導体装置を含む。 The third invention is
A drain electrode provided on the substrate;
A channel layer made of an acene chalcogen-based molecule having a planar structure invariant to at least a C2h symmetry operation, which is provided on the substrate in contact with the drain electrode;
A source electrode provided in contact with the channel layer on the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel A semiconductor device comprising at least one organic field effect transistor in which an angle formed by at least a part of a portion of the interface with the layer contacting the channel and a major axis of the acene chalcogen-based molecule is different from each other It is.
This semiconductor device is, for example, a semiconductor integrated circuit in which a plurality of the above-mentioned organic field effect transistors are arranged in a two-dimensional array on the same substrate, but is not limited thereto, and various semiconductors having various uses and functions. Including equipment.

第４の発明は、
少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタである。
第４の発明においては、第１及び第２の発明に関連して説明したことが成立する。 The fourth invention is:
A channel layer composed of acene chalcogen-based molecules having a planar structure that is invariant to at least the symmetry operation of C2h;
A source electrode and a drain electrode provided in contact with the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel The organic field-effect transistor is characterized in that an angle formed by at least a part of a portion in contact with the channel in an interface with a layer and a major axis of the acene chalcogen-based molecule is different from each other.
In the fourth invention, what has been described in relation to the first and second inventions holds true.

第５の発明は、
少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ有する
ことを特徴とする半導体装置である。
第５の発明においては、第１〜第３の発明に関連して説明したことが成立する。 The fifth invention is:
A channel layer composed of acene chalcogen-based molecules having a planar structure that is invariant to at least the symmetry operation of C2h;
A source electrode and a drain electrode provided in contact with the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel A semiconductor device comprising at least one organic field effect transistor in which an angle formed by at least a part of a portion of the interface with the layer contacting the channel and a major axis of the acene chalcogen-based molecule is different from each other It is.
In the fifth aspect, what has been described in relation to the first to third aspects is valid.

第６の発明は、
基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする電子機器である。 The sixth invention is:
A drain electrode provided on the substrate;
A channel layer made of an acene chalcogen-based molecule having a planar structure invariant to at least a C2h symmetry operation, which is provided on the substrate in contact with the drain electrode;
A source electrode provided in contact with the channel layer on the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel Electrons characterized by using at least one organic field effect transistor in which an angle formed by at least a part of the interface with the channel and the major axis of the acene chalcogen molecule is different from each other. Equipment.

第７の発明は、
少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする電子機器である。 The seventh invention
A channel layer composed of acene chalcogen-based molecules having a planar structure that is invariant to at least the symmetry operation of C2h;
A source electrode and a drain electrode provided in contact with the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel Electrons characterized by using at least one organic field effect transistor in which an angle formed by at least a part of the interface with the channel and the major axis of the acene chalcogen molecule is different from each other. Equipment.

第６及び第７の発明において、電子機器は基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器（携帯情報端末機（ＰＤＡ）など）、ロボット、パーソナルコンピュータ（デスクトップ型、ノート型の双方を含む）、ゲーム機器、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。また、電子機器は、有機電界効果トランジスタを二次元アレイ状に配置し、この二次元アレイ上に縦横に設けた配線の各交点の有機電界効果トランジスタを選択して発光を起こさせるようにした自発光型のディスプレイも含む。
第６及び第７の発明においては、第１及び第３の発明に関連して説明したことが成立する。 In the sixth and seventh inventions, the electronic device may basically be any type, including both portable type and stationary type. For example, a mobile phone , Mobile devices (such as personal digital assistants (PDAs)), robots, personal computers (including both desktop and notebook), game devices, camera-integrated VTRs (video tape recorders), in-vehicle devices, home appliances, Industrial products. In addition, the electronic device is configured such that organic field effect transistors are arranged in a two-dimensional array, and the organic field effect transistors at the intersections of wirings arranged vertically and horizontally on the two-dimensional array are selected to cause light emission. Includes a light-emitting display.
In the sixth and seventh aspects, what has been described in relation to the first and third aspects is valid.

上述のように構成されたこの発明においては、例えば、ソース電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度を、ドレイン電極とチャネル層との界面のうちのチャネルと接触する部分の少なくとも一部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度より大きくすることにより、後に詳述するように、ソース電極及びドレイン電極に互いに異なる種類の金属を用いないでも、上記の部分のソース電極／チャネル層界面でのホールの注入障壁、及び、上記の部分のドレイン電極／チャネル層界面での電子の注入障壁を同時に低下させることができ、チャネル層へのホール及び電子の注入効率を改善することができる。   In the present invention configured as described above, for example, an angle formed between at least a part of the interface between the source electrode and the channel layer and the major axis of the acene chalcogen-based molecule is defined as the drain electrode. As described later in detail, the source electrode and the drain electrode are mutually connected to each other by increasing the angle between at least a part of the interface between the channel layer and the channel layer and the major axis of the acene chalcogen-based molecule. Even without using different types of metals, the hole injection barrier at the source electrode / channel layer interface in the above portion and the electron injection barrier at the drain electrode / channel layer interface in the above portion can be simultaneously reduced. The hole and electron injection efficiency into the channel layer can be improved.

この発明によれば、ソース電極からのホール注入、及び、ドレイン電極からの電子注入の双方に適した構造を容易に得ることができ、かつ、ソース電極及びドレイン電極に互いに異なる種類の金属を用いないでも済むので製造プロセスも簡単な有機電界効果トランジスタを得ることができる。そして、この優れた有機電界効果トランジスタを発光機能及びスイッチ機能を有する素子に用いて高性能の各種の電子機器を実現することができる。   According to this invention, a structure suitable for both hole injection from the source electrode and electron injection from the drain electrode can be easily obtained, and different types of metals can be used for the source electrode and the drain electrode. Therefore, an organic field effect transistor with a simple manufacturing process can be obtained. Then, by using this excellent organic field effect transistor for an element having a light emitting function and a switch function, various high-performance electronic devices can be realized.

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴを示す。
図１に示すように、この ambipolar有機ＦＥＴにおいては、図示省略した基板上に設けられたゲート電極１１上にゲート絶縁膜１２が設けられ、その上にドレイン電極１３が設けられている。このドレイン電極１３の側面及び上面を覆うようにゲート絶縁膜１２上に少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層１４が設けられている。このチャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子は、より具体的には、分子末端部が水素で終端された部分を持つπ共役系の平面構造を有し、かつ、製膜時にゲート絶縁膜１２（あるいは基板）に対して分子の長軸がほぼ垂直となるように配向する性質を有するものを用いる。このアセンカルコゲン系分子の配向の様子を図２に示す。図２に示すように、アセンカルコゲン系分子の末端の水素終端された部分がチャネル層１４の表面に露出している。チャネル層１４上の、ドレイン電極１３と異なる位置にソース電極１５が設けられている。すなわち、ソース電極１５はチャネル層１４に対してトップコンタクト構造で接合している。これに対し、ドレイン電極１３はチャネル層１４に対してボトムコンタクト構造で接合している。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an ambipolar organic FET according to this embodiment.
As shown in FIG. 1, in this ambipolar organic FET, a gate insulating film 12 is provided on a gate electrode 11 provided on a substrate (not shown), and a drain electrode 13 is provided thereon. A channel layer 14 made of acene chalcogen-based molecules having a planar structure that is at least invariant to the symmetrical operation of C2h is provided on the gate insulating film 12 so as to cover the side surface and the upper surface of the drain electrode 13. More specifically, the acene chalcogen molecule constituting the channel layer 14 has a π-conjugated planar structure in which the molecular terminal portion is terminated with hydrogen, and the gate insulating film 12 is formed at the time of film formation. A material having the property of being oriented so that the major axis of the molecule is substantially perpendicular to (or the substrate) is used. FIG. 2 shows the orientation of the acene chalcogen-based molecule. As shown in FIG. 2, the hydrogen-terminated portion at the end of the acene chalcogen-based molecule is exposed on the surface of the channel layer 14. A source electrode 15 is provided on the channel layer 14 at a position different from the drain electrode 13. That is, the source electrode 15 is bonded to the channel layer 14 with a top contact structure. On the other hand, the drain electrode 13 is joined to the channel layer 14 with a bottom contact structure.

この ambipolar有機ＦＥＴにおいては、ソース電極１５とチャネル層１４との界面のうちのチャネル層１４に形成されるチャネル１６（点描を付した領域）と接触する部分１７の少なくとも一部、好適には全部とチャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度θ1 と、ドレイン電極１３とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１８の少なくとも一部、好適には全部とアセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度θ2 とが互いに異なっており、典型的にはθ1 ＞θ2 である。この場合、ソース電極１５とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１７はソース電極１５の下面とチャネル層１４との界面であり、ドレイン電極１３とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１８はドレイン電極１３の、ソース電極１５側の側面とチャネル層１４との界面である。具体的には、例えばθ1 ≒９０°、θ2 ≒０°であり、この場合、ソース電極１５とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１７は基板とほぼ平行、ドレイン電極１３とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１８は基板に対してほぼ垂直である。また、この場合、ソース電極１５とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１７の少なくとも一部におけるアセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最大、ドレイン電極１３とチャネル層１４との界面のうちのチャネル１６と接触する部分１８の少なくとも一部におけるアセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最小である（図２参照）。 In this ambipolar organic FET, at least a part, preferably all, of the part 17 in contact with the channel 16 (the region marked with stipples) formed in the channel layer 14 in the interface between the source electrode 15 and the channel layer 14. And at least part of the portion 18 in contact with the channel 16 in the interface between the drain electrode 13 and the channel layer 14, preferably the angle θ 1 formed between the major axis of the acene chalcogen-based molecule constituting the channel layer 14 and preferably The angle θ 2 formed by all of them and the major axis of the acene chalcogen-based molecule is different from each other, and typically θ 1 > θ 2 . In this case, the portion 17 in contact with the channel 16 in the interface between the source electrode 15 and the channel layer 14 is the interface between the lower surface of the source electrode 15 and the channel layer 14, and the interface between the drain electrode 13 and the channel layer 14. A portion 18 in contact with the channel 16 is an interface between the side surface of the drain electrode 13 on the source electrode 15 side and the channel layer 14. Specifically, for example, θ 1 ≈90 ° and θ 2 ≈0 °. In this case, the portion 17 in contact with the channel 16 in the interface between the source electrode 15 and the channel layer 14 is substantially parallel to the substrate and drain A portion 18 in contact with the channel 16 at the interface between the electrode 13 and the channel layer 14 is substantially perpendicular to the substrate. Further, in this case, the surface density of hydrogen atoms constituting the acene chalcogen-based molecule in at least part of the portion 17 in contact with the channel 16 in the interface between the source electrode 15 and the channel layer 14 is substantially maximum, and the drain electrode 13 The areal density of hydrogen atoms constituting the acene chalcogen-based molecule in at least a part of the portion 18 in contact with the channel 16 in the interface with the channel layer 14 is substantially minimum (see FIG. 2).

チャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子は、例えば、ＨＴＰ、ＴＴＴ、ＨＴＡ、ＴＳｅＴ、ＴＴｅＴなどであり、それらの化学構造をそれぞれ図３Ａ〜Ｅに示す。チャネル層１４の厚さは適宜選ばれるが、一般的には例えば１００ｎｍ程度である。ゲート電極１１の材料としては例えばＡｕなどが用いられる。ゲート電極１１は、必要に応じてＴｉなどからなる密着層を介して基板上に形成してもよい。ゲート絶縁膜１２の材料としては例えばＳｉＯ2 膜が用いられる。また、ソース電極１５及びドレイン電極１３の材料としては例えばＡｕが用いられる。ドレイン電極１３は、必要に応じてＴｉなどからなる密着層を介してゲート絶縁膜１２上に形成してもよい。同様に、ソース電極１５は、必要に応じてＴｉなどからなる密着層を介してチャネル層１４上に形成してもよい。基板としては、例えば、表面にＳｉＯ2 膜が形成されたガラス基板や各種のプラスチック基板（ＰＥＴなど）などが用いられる。 The acene chalcogen-based molecules constituting the channel layer 14 are, for example, HTP, TTT, HTA, TSeT, TTeT, and the chemical structures thereof are shown in FIGS. The thickness of the channel layer 14 is appropriately selected, but is generally about 100 nm, for example. As the material of the gate electrode 11, for example, Au is used. The gate electrode 11 may be formed on the substrate through an adhesion layer made of Ti or the like as necessary. As the material of the gate insulating film 12, for example, a SiO 2 film is used. As a material for the source electrode 15 and the drain electrode 13, for example, Au is used. The drain electrode 13 may be formed on the gate insulating film 12 through an adhesion layer made of Ti or the like, if necessary. Similarly, the source electrode 15 may be formed on the channel layer 14 via an adhesion layer made of Ti or the like, if necessary. As the substrate, for example, a glass substrate having a SiO 2 film formed on the surface, various plastic substrates (PET or the like), and the like are used.

図４はチャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子の分子構造の一例（ヘキサチオペンタセンの例）を示す。この分子周辺の静電ポテンシャル分布について考察するために多重極展開を行うと、これは中性分子であることから点電荷成分＝０、分子の対称性から双極子成分＝０となり、周辺電場の形成に最も影響のある最低次の項は４重極成分となる。表１はこの分子の４重極モーメントのテンソルの対角成分を第一原理電子状態計算により解析したものである。   FIG. 4 shows an example of the molecular structure of acene chalcogen-based molecules constituting the channel layer 14 (example of hexathiopentacene). When multipole expansion is performed to consider the electrostatic potential distribution around this molecule, since it is a neutral molecule, the point charge component = 0 and the dipole component = 0 due to the symmetry of the molecule. The lowest order term that most affects formation is the quadrupole component. Table 1 shows the analysis of the diagonal component of the quadrupole moment tensor of this molecule by first-principles electronic state calculations.

Figure 2009088377
Figure 2009088377

表１の各軸方向は図４に示すように定義され、この場合非対角成分はゼロとなる。Ｚ方向のプラス成分は、分子末端のＣ−Ｈ結合の影響により分子中心部（図４中Ｏ点）から見て外向きの局所的な電気双極子または電気２重層が形成されたことによる。また、Ｘ方向成分はアセン骨格のπ電子雲の拡がり、Ｙ方向成分はカルコゲン原子（ヘキサチオペンタセンでは硫黄）の負電荷の影響によりそれぞれの４重極成分はマイナスとなっている。従って、４重極モーメントから分子近傍の電位分布を考察すると、Ｚ方向にのみプラス、それ以外のＸ方向及びＹ方向はマイナス側に変位することが容易に推測される。すなわち、分子末端の水素原子近傍がプラス側、カルコゲン原子及びπ電子雲の拡がる方向がマイナス側という性質があり、このことはヘキサチオペンタセン以外の他のアセンカルコゲン系分子についても同様な傾向を示すことが理論計算により確認されている。   Each axial direction in Table 1 is defined as shown in FIG. 4, and in this case, the off-diagonal component is zero. The positive component in the Z direction is due to the formation of a local electric dipole or electric double layer facing outward from the center of the molecule (point O in FIG. 4) due to the influence of the C—H bond at the molecular end. Further, the X direction component spreads the π electron cloud of the acene skeleton, and the Y direction component is negative for each quadrupole component due to the negative charge of a chalcogen atom (sulfur in hexathiopentacene). Therefore, considering the potential distribution in the vicinity of the molecule from the quadrupole moment, it is easily estimated that the positive displacement is only in the Z direction, and the other X and Y directions are displaced to the negative side. That is, there is a property that the vicinity of the hydrogen atom at the molecular terminal is on the positive side, and the direction in which the chalcogen atom and π electron cloud spread is on the negative side, which indicates the same tendency for other acene chalcogen-based molecules other than hexathiopentacene This is confirmed by theoretical calculation.

上述のような特徴を持ったアセンカルコゲン系分子により構成されるチャネル層１４とソース電極１５及びドレイン電極１３との界面では、接合の形態によって異なる次のような現象が起こる。まず、チャネル層１４とソース電極１５との界面では、既に述べたように、チャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子の分子末端のＣ−Ｈ結合の影響により、ＨＯＭＯ準位と真空準位とのエネルギー差を低下させる働きを持つ。一方、チャネル層１４とドレイン電極１３との界面では、π電子雲、及び、カルコゲン原子の負電荷の影響により、チャネル層１４とソース電極１５との界面の場合とは逆に、ＨＯＭＯ準位と真空準位とのエネルギー差を増大させる働きを持つ。そのような界面の状況下におけるこのデバイス構造のエネルギーダイヤグラムを図５Ａ（接合前）及び図５Ｂ（接合後電圧印加）に示す。ソース電極１５側は、電気２重層の影響により真空準位が低下するため、ソース電極１５のフェルミ準位を低エネルギー側にシフトさせる効果があるのに対して、ドレイン電極１３側は、ソース電極１５とは逆向きの電気２重層の影響によりドレイン電極１３のフェルミ準位を高エネルギー側へシフトするように作用する。従ってデバイス全体のエネルギーダイヤグラムは、ドレイン電極１３のフェルミ準位が、ソース電極１５のフェルミ準位に比べて高くなる。これは、既に述べたソース電極１５及びドレイン電極１３に互いに仕事関数の異なる金属を用いた場合と同様の効果であるが、この一実施形態においては、ソース電極１５及びドレイン電極１３の材料として一種類の金属を用いても実現可能である。また、ソース電極１５及びドレイン電極１３に用いる金属の種類の変更のみでは、チャネル層１４とソース電極１５及びドレイン電極１３との界面でのキャリヤ注入障壁の低下が十分でない場合に、このデバイス構造を併用することによりキャリヤ注入障壁をより一層低下させることができ、デバイス特性の更なる向上を図ることができる。   At the interface between the channel layer 14 composed of acene chalcogen-based molecules having the above-described characteristics and the source electrode 15 and the drain electrode 13, the following phenomenon varies depending on the form of the junction. First, at the interface between the channel layer 14 and the source electrode 15, as already described, the HOMO level and the vacuum level are affected by the C—H bond at the molecular end of the acene chalcogen-based molecule constituting the channel layer 14. It has the function of reducing the energy difference. On the other hand, at the interface between the channel layer 14 and the drain electrode 13, the HOMO level is opposite to the interface between the channel layer 14 and the source electrode 15 due to the negative charge of the π electron cloud and the chalcogen atom. It works to increase the energy difference from the vacuum level. The energy diagrams of this device structure under such interface conditions are shown in FIGS. 5A (before bonding) and 5B (voltage application after bonding). The source electrode 15 side has the effect of shifting the Fermi level of the source electrode 15 to the low energy side because the vacuum level is lowered due to the influence of the electric double layer, whereas the drain electrode 13 side has the effect of shifting the source electrode 15 side to the source electrode 15 side. It acts to shift the Fermi level of the drain electrode 13 to the high energy side due to the influence of the electric double layer opposite to that of 15. Therefore, the energy diagram of the entire device is higher in the Fermi level of the drain electrode 13 than in the Fermi level of the source electrode 15. This is the same effect as the case where metals having different work functions are used for the source electrode 15 and the drain electrode 13 already described. However, in this embodiment, the material for the source electrode 15 and the drain electrode 13 is one. It is also possible to use various types of metals. Further, when only the change in the type of metal used for the source electrode 15 and the drain electrode 13 is not sufficient to lower the carrier injection barrier at the interface between the channel layer 14 and the source electrode 15 and the drain electrode 13, this device structure is formed. By using it together, the carrier injection barrier can be further lowered, and the device characteristics can be further improved.

次に、この ambipolar有機ＦＥＴの製造方法について説明する。
まず、例えば表面にＳｉＯ2 膜が形成されたガラス基板などの基板上にゲート電極１１を形成する。具体的には、基板上に、形成しようとするゲート電極１１に対応する部分に開口を有するレジストパターンをリソグラフィーにより形成した後、例えば真空蒸着法などにより全面にＡｕ膜を形成し、あるいはＴｉからなる密着層を用いる場合には全面にＴｉ膜及びＡｕ膜を順次形成する。次に、レジストパターンを除去することにより、このレジストパターン上に形成されたＡｕ膜あるいはＴｉ膜及びＡｕ膜を除去する（リフトオフ）。こうしてゲート電極１１が形成される。 Next, a method for manufacturing this ambipolar organic FET will be described.
First, the gate electrode 11 is formed on a substrate such as a glass substrate having a SiO 2 film formed on the surface. Specifically, after a resist pattern having an opening in a portion corresponding to the gate electrode 11 to be formed is formed on the substrate by lithography, an Au film is formed on the entire surface by, for example, a vacuum evaporation method, or from Ti When using an adhesion layer to be formed, a Ti film and an Au film are sequentially formed on the entire surface. Next, by removing the resist pattern, the Au film or the Ti film and the Au film formed on the resist pattern are removed (lift-off). Thus, the gate electrode 11 is formed.

次に、ゲート電極１１上に例えばスパッタリング法などによりＳｉＯ2 膜を形成し、ゲート絶縁膜１２を形成する。このゲート絶縁膜１２を形成する際に、ゲート電極１１の一部をハードマスクで覆うことによって、ゲート電極１１の取り出し部（図示せず）をリソグラフィープロセスを用いることなく形成することができる。
次に、ゲート絶縁膜１２上に、形成しようとするドレイン電極１３に対応する部分に開口を有するレジストパターンをリソグラフィーにより形成した後、例えば真空蒸着法などにより全面にＡｕ膜を形成し、あるいはＴｉからなる密着層を用いる場合には全面にＴｉ膜及びＡｕ膜を順次形成する。この後、レジストパターンを除去することにより、このレジストパターン上に形成されたＡｕ膜あるいはＴｉ膜及びＡｕ膜を除去する。こうしてドレイン電極１３が形成される。 Next, an SiO 2 film is formed on the gate electrode 11 by, eg, sputtering, and the gate insulating film 12 is formed. When the gate insulating film 12 is formed, a part of the gate electrode 11 is covered with a hard mask, so that an extraction portion (not shown) of the gate electrode 11 can be formed without using a lithography process.
Next, after a resist pattern having an opening in a portion corresponding to the drain electrode 13 to be formed is formed on the gate insulating film 12 by lithography, an Au film is formed on the entire surface by, for example, a vacuum evaporation method, or Ti In the case of using an adhesion layer made of, a Ti film and an Au film are sequentially formed on the entire surface. Thereafter, by removing the resist pattern, the Au film or the Ti film and the Au film formed on the resist pattern are removed. Thus, the drain electrode 13 is formed.

次に、こうしてドレイン電極１３が形成されたゲート絶縁膜１２上に、例えば真空蒸着法などにより、アセンカルコゲン系分子からなるチャネル層１４を形成する。この際、このチャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子の長軸がゲート絶縁膜１２に対して垂直に配向する（図２参照）。
次に、チャネル層１４上に、形成しようとするソース電極１５に対応する部分に開口を有するレジストパターンをリソグラフィーにより形成した後、例えば真空蒸着法などにより全面にＡｕ膜を形成し、あるいはＴｉからなる密着層を用いる場合には全面にＴｉ膜及びＡｕ膜を順次形成する。この後、レジストパターンを除去することにより、このレジストパターン上に形成されたＡｕ膜あるいはＴｉ膜及びＡｕ膜を除去する。こうしてソース電極１５が形成される。
以上の工程により、図１に示す目的とする ambipolar有機ＦＥＴが製造される。 Next, a channel layer 14 made of acene chalcogen-based molecules is formed on the gate insulating film 12 thus formed with the drain electrode 13 by, for example, vacuum deposition. At this time, the major axis of the acene chalcogen-based molecule constituting the channel layer 14 is oriented perpendicular to the gate insulating film 12 (see FIG. 2).
Next, a resist pattern having an opening at a portion corresponding to the source electrode 15 to be formed is formed on the channel layer 14 by lithography, and then an Au film is formed on the entire surface by, for example, a vacuum deposition method or the like. When using an adhesion layer to be formed, a Ti film and an Au film are sequentially formed on the entire surface. Thereafter, by removing the resist pattern, the Au film or the Ti film and the Au film formed on the resist pattern are removed. Thus, the source electrode 15 is formed.
Through the above steps, the target ambipolar organic FET shown in FIG. 1 is manufactured.

実施例について説明する。
〈実施例１〉
チャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子としてヘキサチオペンタセンを用いた。ヘキサチオペンタセンは、図４に示すように、ペンタセンの６つの水素原子が硫黄原子で置換された分子で、Ｘ線単結晶構造解析から図６及び図７（ｃ軸投影）に示すように各々の分子の長軸方向がほぼ平行となるように配列することが確認されており、更に、ＸＲＤ解析により分子の長軸が、基板に対してほぼ垂直（言い換えれば図中（１１０）面が基板と平行）となるように配向することが確認されている。 Examples will be described.
<Example 1>
Hexathiopentacene was used as the acene chalcogen molecule constituting the channel layer 14. As shown in FIG. 4, hexathiopentacene is a molecule in which six hydrogen atoms of pentacene are substituted with sulfur atoms. As shown in FIGS. 6 and 7 (c-axis projection) from X-ray single crystal structure analysis, It has been confirmed that the molecules are aligned so that the major axis directions of the molecules are substantially parallel to each other, and the major axis of the molecules is almost perpendicular to the substrate by XRD analysis (in other words, the (110) plane in the figure is the substrate). It is confirmed that they are oriented so as to be parallel to each other.

ヘキサチオペンタセンの面方位による真空準位シフトの解析結果について説明する。このヘキサチオペンタセンによりチャネル層１４を構成した場合、このチャネル層１４のソース電極１５との界面を形成する（１１０）面、及び、このチャネル層１４のドレイン電極１３の側面との界面となる（００１）面について、固体内部のＨＯＭＯ準位から見た各々の表面の真空準位の高さ（図５ＡのφT org 、φB org に相当）を第一原理電子状態計算により求め、本発明の効果の検証を行った。その結果を図８に示す。これは、各々の表面について、ヘキサチオペンタセン結晶内部から真空領域へ向けて静電ポテンシャルエネルギーの面平均値をプロットしたものである。いずれも固体のＨＯＭＯ準位を基準（０ｅＶ）に揃えてある。両者の表面近傍の真空準位を比較すると、水素で終端された（１１０）面に比べて、固体表面と分子面とがほぼ平行となる（００１）面の真空準位の方が高エネルギー側にシフトしていることが判る。このように、この一実施形態によるデバイス構造を用いることで、チャネル層１４とソース電極１５及びドレイン電極１３との界面のキャリヤ注入障壁をホール及び電子ともに有利となるよう制御することが可能であることが確認できた。 The analysis result of the vacuum level shift due to the plane orientation of hexathiopentacene will be described. When the channel layer 14 is constituted by this hexathiopentacene, the channel layer 14 forms an interface with the source electrode 15 (110) and the channel layer 14 has an interface with the side surface of the drain electrode 13 ( With respect to the (001) plane, the vacuum level height (corresponding to φ T org and φ B org in FIG. 5A) of each surface viewed from the HOMO level inside the solid is obtained by first-principles electronic state calculation, and the present invention The effect of was verified. The result is shown in FIG. This plots the surface average value of electrostatic potential energy from the inside of the hexathiopentacene crystal toward the vacuum region for each surface. In both cases, the solid HOMO level is aligned with the reference (0 eV). Comparing the vacuum levels in the vicinity of both surfaces, the (001) plane where the solid surface is almost parallel to the molecular plane is higher in energy than the (110) plane terminated with hydrogen. It turns out that it has shifted to. As described above, by using the device structure according to this embodiment, it is possible to control the carrier injection barrier at the interface between the channel layer 14 and the source electrode 15 and the drain electrode 13 so that both holes and electrons are advantageous. I was able to confirm.

〈実施例２〉
チャネル層１４を構成するアセンカルコゲン系分子としてテトラチオテトラセンを用いた。テトラチオテトラセンは、テトラセンの４つの水素原子が硫黄原子で置換された分子で、Ｘ線単結晶構造解析から図９（ａ軸投影）に示すような結晶構造を有することが確認されており、更に、ＸＲＤ解析により（００１）面が基板と平行となるように配向することが確認されている。 <Example 2>
Tetrathiotetracene was used as the acene chalcogen-based molecule constituting the channel layer 14. Tetrathiotetracene is a molecule in which four hydrogen atoms of tetracene are substituted with sulfur atoms, and it has been confirmed from X-ray single crystal structure analysis that it has a crystal structure as shown in FIG. 9 (a-axis projection). Further, it is confirmed by XRD analysis that the (001) plane is oriented in parallel with the substrate.

このテトラチオテトラセンの面方位による真空準位シフトの解析結果について示す。このテトラチオテトラセンによりチャネル層１４を構成した場合、このチャネル層１４のソース電極１５との界面を形成する（００１）面、及び、このチャネル層１４のドレイン電極１３との界面となる（１００）面について、固体内部のＨＯＭＯ準位から見た各々の表面の真空準位の高さ（図５ＡのφT org 、φB org に相当）を第一原理電子状態計算により求め、本発明の効果の検証を行った。その結果を図１０に示す。これは、各々の表面について、テトラチオテトラセン結晶内部から真空領域へ向けて静電ポテンシャルエネルギーの面平均値をプロットしたものである。いずれも固体のＨＯＭＯ準位を基準（０ｅＶ）に揃えてある。両者の表面近傍の真空準位を比較すると、水素で終端された（００１）面に比べて、固体表面と分子面とがほぼ平行となる（１００）面の真空準位の方が高エネルギー側にシフトしていることが判る。この場合も、チャネル層１４とソース電極１５及びドレイン電極１３との界面のキャリヤ注入障壁をホール及び電子ともに有利となるよう制御することが可能である。 The analysis result of the vacuum level shift depending on the plane orientation of tetrathiotetracene will be described. When the channel layer 14 is composed of tetrathiotetracene, the channel layer 14 forms an interface with the source electrode 15 (001), and the channel layer 14 has an interface with the drain electrode 13 (100). The height of the vacuum level (corresponding to φ T org and φ B org in FIG. 5A) of each surface as seen from the HOMO level inside the solid is obtained by first-principles electronic state calculation, and the effect of the present invention Was verified. The result is shown in FIG. This plots the surface average value of electrostatic potential energy from the inside of the tetrathiotetracene crystal toward the vacuum region for each surface. In both cases, the solid HOMO level is aligned with the reference (0 eV). Comparing the vacuum levels in the vicinity of both surfaces, the vacuum level of the (100) plane in which the solid surface and the molecular plane are almost parallel is higher than the (001) plane terminated with hydrogen. It turns out that it has shifted to. Also in this case, it is possible to control the carrier injection barrier at the interface between the channel layer 14 and the source electrode 15 and the drain electrode 13 so that both holes and electrons are advantageous.

以上のように、この一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴによれば、チャネル層１４に対する、ソース電極１５からのホール注入、及び、ドレイン電極１３からの電子注入の双方に適した構造を容易に得ることができ、ホール及び電子の注入効率の大幅な向上を図ることができ、ひいてはホール及び電子の再結合による発光を効率良く行うことができ、スイッチング速度の向上によりスイッチ機能の向上を図ることもでき、高性能の ambipolar有機ＦＥＴを得ることができる。しかも、ソース電極１５及びドレイン電極１３の材料に互いに同一の種類の金属を用いることができるため、製造プロセスも簡単である。   As described above, according to the ambipolar organic FET according to this embodiment, a structure suitable for both the hole injection from the source electrode 15 and the electron injection from the drain electrode 13 to the channel layer 14 can be easily obtained. Hole and electron injection efficiency can be greatly improved, and light emission by recombination of holes and electrons can be performed efficiently, and the switching function can be improved by improving the switching speed. High performance ambipolar organic FET can be obtained. In addition, since the same type of metal can be used for the source electrode 15 and the drain electrode 13, the manufacturing process is simple.

以上この発明の一実施形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、構成、配置、形状などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構成、配置、形状などを用いてもよい。 Although one embodiment and example of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment and example, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. It is.
For example, the numerical values, configurations, arrangements, shapes, and the like given in the above-described embodiments and examples are merely examples, and different numerical values, configurations, arrangements, shapes, and the like may be used as necessary.

この発明の一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the ambipolar organic FET by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴにおけるチャネル層を構成するアセンカルコゲン系分子を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the acene chalcogen-type molecule | numerator which comprises the channel layer in ambipolar organic FET by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴにおけるチャネル層を構成するアセンカルコゲン系分子の具体例を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the specific example of the acene chalcogen-type molecule | numerator which comprises the channel layer in ambipolar organic FET by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による ambipolar有機ＦＥＴにおけるチャネル層を構成するアセンカルコゲン系分子の分子構造を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the molecular structure of the acene chalcogen-type molecule | numerator which comprises the channel layer in ambipolar organic FET by one Embodiment of this invention. アセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と電極金属との接合前及び接合後電圧を印加した状態におけるエネルギーダイヤグラムを示す略線図である。It is a basic diagram which shows the energy diagram in the state which applied the voltage before and after joining of the channel layer and electrode metal which consist of an acene chalcogen system molecule | numerator. ヘキサチオペンタセン結晶を示す略線図である。It is a basic diagram which shows a hexathiopentacene crystal. ヘキサチオペンタセン結晶を示す略線図である。It is a basic diagram which shows a hexathiopentacene crystal. ヘキサチオペンタセンの面方位による真空準位シフトの解析結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the analysis result of the vacuum level shift by the surface orientation of hexathiopentacene. テトラチオテトラセン結晶を示す略線図である。It is a basic diagram which shows a tetrathiotetracene crystal. テトラチオテトラセンの面方位による真空準位シフトの解析結果を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the analysis result of the vacuum level shift by the surface orientation of tetrathiotetracene. 一般的なボトムコンタクトによるambipolar 有機ＦＥＴを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the ambipolar organic FET by a general bottom contact. 図１１に示すambipolar 有機ＦＥＴにおいてチャネル層と電極金属との接合前及び接合後電圧を印加した状態におけるエネルギーダイヤグラムを示す略線図である。FIG. 12 is a schematic diagram illustrating an energy diagram in a state in which a voltage before and after bonding between the channel layer and the electrode metal is applied in the ambipolar organic FET illustrated in FIG. 11.

符号の説明Explanation of symbols

１１…ゲート電極、１２…ゲート絶縁膜、１３…ドレイン電極、１４…チャネル層、１５…ソース電極、１６…チャネル   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Gate electrode, 12 ... Gate insulating film, 13 ... Drain electrode, 14 ... Channel layer, 15 ... Source electrode, 16 ... Channel

Claims (14)

基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタ。 A drain electrode provided on the substrate;
A channel layer made of an acene chalcogen-based molecule having a planar structure invariant to at least a C2h symmetry operation, which is provided on the substrate in contact with the drain electrode;
A source electrode provided in contact with the channel layer on the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel An organic field effect transistor, characterized in that an angle formed by at least a part of a portion of the interface with the layer in contact with the channel and a major axis of the acene chalcogen-based molecule is different from each other. 上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度が、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度より大きい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。   Of the interface between the drain electrode and the channel layer, an angle formed between at least a part of the interface between the source electrode and the channel layer and the major axis of the acene chalcogen-based molecule is a portion of the interface between the drain electrode and the channel layer. 2. The organic field effect transistor according to claim 1, wherein the organic field effect transistor is larger than an angle formed by at least a part of a part of the acene chalcogen-based molecule which is in contact with the channel. 上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度がほぼ９０°、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度がほぼ０°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。   An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel, and a long axis of the acene chalcogen-based molecule is approximately 90 °, and the drain electrode and the channel layer 2. The organic field effect transistor according to claim 1, wherein an angle formed by at least a part of a portion of the interface that contacts the channel and a major axis of the acene chalcogen-based molecule is approximately 0 °. 上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記基板とが互いにほぼ平行、かつ、上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部における上記アセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最大であり、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記基板とが互いにほぼ垂直、かつ、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部における上記アセンカルコゲン系分子を構成する水素原子の面密度がほぼ最小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。   At least a part of the interface between the source electrode and the channel layer in contact with the channel and the substrate are substantially parallel to each other, and the channel of the interface between the source electrode and the channel layer is The area density of hydrogen atoms constituting the acene chalcogen-based molecule in at least a part of the contact part is substantially maximum, and at least a part of the part in contact with the channel in the interface between the drain electrode and the channel layer And the substrate are substantially perpendicular to each other, and the surface density of hydrogen atoms constituting the acene chalcogen-based molecule in at least a part of the interface between the drain electrode and the channel layer in contact with the channel is approximately 2. The organic field effect transistor according to claim 1, wherein the organic field effect transistor is a minimum. 上記アセンカルコゲン系分子はヘキサチオペンタセンまたはテトラチオテトラセン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。   2. The organic field effect transistor according to claim 1, wherein the acene chalcogen-based molecule is hexathiopentacene or tetrathiotetracene. 上記ソース電極及び上記ドレイン電極は互いに同一の種類の金属からな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。   2. The organic field effect transistor according to claim 1, wherein the source electrode and the drain electrode are made of the same type of metal. 上記基板がゲート電極を有す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。   2. The organic field effect transistor according to claim 1, wherein the substrate has a gate electrode. 上記ゲート電極と上記チャネル層との間にゲート絶縁膜を有することを特徴とする請求項７記載の有機電界効果トランジスタ。   8. The organic field effect transistor according to claim 7, further comprising a gate insulating film between the gate electrode and the channel layer. 基板上にドレイン電極を形成する工程と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層を形成する工程と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触してソース電極を形成する工程とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なるようにする
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタの製造方法。 Forming a drain electrode on the substrate;
Forming a channel layer made of an acene chalcogen-based molecule having a planar structure that is invariant to at least C2h symmetry operation in contact with the drain electrode on the substrate;
Forming a source electrode on the channel layer in contact with the channel layer,
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel A method for producing an organic field effect transistor, characterized in that an angle formed by at least a part of a portion in contact with the channel in an interface with a layer and a major axis of the acene chalcogen-based molecule is different from each other. 基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ有する
ことを特徴とする半導体装置。 A drain electrode provided on the substrate;
A channel layer made of an acene chalcogen-based molecule having a planar structure invariant to at least a C2h symmetry operation, which is provided on the substrate in contact with the drain electrode;
A source electrode provided in contact with the channel layer on the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel A semiconductor device comprising at least one organic field effect transistor in which an angle formed by at least a part of a portion of the interface with the layer contacting the channel and a major axis of the acene chalcogen-based molecule is different from each other . 少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる
ことを特徴とする有機電界効果トランジスタ。 A channel layer composed of acene chalcogen-based molecules having a planar structure that is invariant to at least the symmetry operation of C2h;
A source electrode and a drain electrode provided in contact with the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel An organic field effect transistor, characterized in that an angle formed by at least a part of a portion of the interface with the layer in contact with the channel and a major axis of the acene chalcogen-based molecule is different from each other. 少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ有する
ことを特徴とする半導体装置。 A channel layer composed of acene chalcogen-based molecules having a planar structure that is invariant to at least the symmetry operation of C2h;
A source electrode and a drain electrode provided in contact with the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel A semiconductor device comprising at least one organic field effect transistor in which an angle formed by at least a part of a portion of the interface with the layer contacting the channel and a major axis of the acene chalcogen-based molecule is different from each other . 基板上に設けられたドレイン電極と、
上記基板上に上記ドレイン電極と接触して設けられた、少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層上に上記チャネル層と接触して設けられたソース電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする電子機器。 A drain electrode provided on the substrate;
A channel layer made of an acene chalcogen-based molecule having a planar structure invariant to at least a C2h symmetry operation, which is provided on the substrate in contact with the drain electrode;
A source electrode provided in contact with the channel layer on the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel Electrons characterized by using at least one organic field effect transistor in which an angle formed by at least a part of the interface with the channel and the major axis of the acene chalcogen molecule is different from each other. machine. 少なくともＣ２ｈの対称操作に対して不変な平面構造を有するアセンカルコゲン系分子からなるチャネル層と、
上記チャネル層と接触して設けられたソース電極及びドレイン電極とを有し、
上記ソース電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネル層に形成されるチャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度と、上記ドレイン電極と上記チャネル層との界面のうちの上記チャネルと接触する部分の少なくとも一部と上記アセンカルコゲン系分子の長軸とのなす角度とが互いに異なる有機電界効果トランジスタを少なくとも一つ用いた
ことを特徴とする電子機器。 A channel layer composed of acene chalcogen-based molecules having a planar structure that is invariant to at least the symmetry operation of C2h;
A source electrode and a drain electrode provided in contact with the channel layer;
An angle formed by at least a part of a portion of the interface between the source electrode and the channel layer, which is in contact with the channel formed in the channel layer, and a long axis of the acene chalcogen molecule, the drain electrode and the channel Electrons characterized by using at least one organic field effect transistor in which an angle formed by at least a part of the interface with the channel and the major axis of the acene chalcogen molecule is different from each other. machine.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011126076A1 (en) * 2010-04-09 2011-10-13 大日本印刷株式会社 Thin-film transistor substrate
JP2011222787A (en) * 2010-04-09 2011-11-04 Dainippon Printing Co Ltd Thin-film transistor substrate

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