JP2009135520A

JP2009135520A - 有機半導体回路基板

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Publication number: JP2009135520A
Application number: JP2009039126A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Suehiro; 康彦末廣; Hideo Nakanishi; 秀雄中西
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2009-06-18

Abstract

【課題】製造方法を簡略化することができる有機半導体回路基板を提供する。
【解決手段】有機トランジスタ２、有機ダイオード３及び薄膜コンデンサ４を基板５に設けて形成される有機半導体回路基板１に関する。有機トランジスタ２は、ゲート電極６、ゲート絶縁層７、半導体層８及びソース・ドレイン電極９，１０を積層して形成される。有機ダイオード３は、陽極１１、半導体層１２及び陰極１３を積層して形成される。薄膜コンデンサ４は、陽極１４、誘電体層１５及び陰極１６を積層して形成される。有機トランジスタ２のゲート絶縁層７と薄膜コンデンサ４の誘電体層１５とが五酸化タンタル、二酸化チタン、三酸化アルミニウム、チタン酸バリウム及びチタン酸バリウム・ストロンチウムから選択される同じ誘電体材料１７で形成され、かつ、有機トランジスタ２の半導体層８と有機ダイオード３の半導体層１２とが同じ有機半導体材料１８で形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機トランジスタ、有機ダイオード及び薄膜コンデンサを基板に設けて形成される有機半導体回路基板に関するものである。

近年、有機半導体デバイスの開発が盛んに行われ、これらの実用化検討が始まってきており、それと同時に集積化技術も重要となっている。

特に、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディスプレイ分野における開発は目覚ましく、その表示用のスイッチチング機能として有機トランジスタが注目され、有機ＥＬと有機トランジスタを集積化したデバイス及びその製造方法が報告されている。

例えば、特許文献１に記載された発明は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が発光ダイオード（ＬＥＤ）とモノリシックに集積化されたデバイスに係るものであり、このデバイスは次のような工程で作製されている。すなわち、一体となった基板上に、薄膜トランジスタのゲート接触と発光ダイオードの陽極を形成する工程；ゲート接触上に誘電体材料の層を形成する工程；誘電体材料の層上に、有機半導体材料の層を形成する工程；誘電体材料の層上に有機半導体材料の層を形成する前又は形成した後に、薄膜トランジスタのソース接触及びドレイン接触を形成し、ソース接触及びドレイン接触の１つは、陽極に電気的に接続される工程；発光ダイオードの陽極上に、有機発光材料の層を形成する工程；及び有機発光材料上に、陰極を形成する工程である。

そして、上記のような集積化方法が他にも数多く報告されているが、有機ＥＬと有機トランジスタの集積化に関するものが大部分であり、それ以外のデバイス回路（有機半導体デバイス）あるいは３つ以上のデバイス回路の集積化についてはあまり報告されていない。

特開２０００−２９４０３号公報

既述の通り、有機ＥＬ及び有機トランジスタに代表される有機半導体デバイスの集積化は進んでいるものの、現在提供されている集積化の方法はどれも複雑なものである。

今後、更なる有機半導体デバイスの性能向上に伴い、無機半導体回路は有機半導体回路に置き換わると考えられるため、様々な有機半導体回路の高集積化・製造技術が必要になるものと考えられる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、製造方法を簡略化することができる有機半導体回路基板を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に係る有機半導体回路基板は、有機トランジスタ２、有機ダイオード３及び薄膜コンデンサ４を基板５に設けて形成される有機半導体回路基板１であって、前記有機トランジスタ２は、ゲート電極６、ゲート絶縁層７、半導体層８及びソース・ドレイン電極９，１０をこの順に積層して形成され、前記有機ダイオード３は、陽極１１、半導体層１２及び陰極１３をこの順に積層して形成され、前記薄膜コンデンサ４は、陽極１４、誘電体層１５及び陰極１６をこの順に積層して形成されると共に、前記有機トランジスタ２のゲート絶縁層７と前記薄膜コンデンサ４の誘電体層１５とが五酸化タンタル、二酸化チタン、三酸化アルミニウム、チタン酸バリウム及びチタン酸バリウム・ストロンチウムから選択される同じ誘電体材料１７で形成され、かつ、前記有機トランジスタ２の半導体層８と前記有機ダイオード３の半導体層１２とが同じ有機半導体材料１８で形成されて成ることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１において、前記有機半導体材料１８として、ペンタセン及び金属フタロシアニンから選択されるものを用いて成ることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記有機トランジスタ２のゲート絶縁層７と前記薄膜コンデンサ４の誘電体層１５とが同じ厚みであることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記有機トランジスタ２の半導体層８と前記有機ダイオード３の半導体層１２とが同じ厚みであることを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る有機半導体回路基板によれば、有機トランジスタのゲート絶縁層と薄膜コンデンサの誘電体層とを共通の材料で形成し、かつ、有機トランジスタの半導体層と有機ダイオードの半導体層とを共通の材料で形成することにより、製造方法を簡略化することができると共に、他の誘電体材料を用いるよりも、デバイス特性が優れた有機半導体回路基板を製造することができるものである。

請求項２の発明によれば、他の有機半導体材料を用いるよりも、デバイス特性が優れた有機半導体回路基板を製造することができるものである。

請求項３の発明によれば、有機トランジスタのゲート絶縁層と薄膜コンデンサの誘電体層とを同じ厚みで形成することにより、製造方法をさらに簡略化することができるものである。

請求項４の発明によれば、有機トランジスタの半導体層と有機ダイオードの半導体層とを同じ厚みで形成することにより、製造方法をさらに簡略化することができるものである。

本発明の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ）〜（ｄ）は断面図である。同上を示すものであり、（ａ）〜（ｄ）は平面図である。同上における有機半導体回路基板の電気回路図である。同上における有機半導体回路基板の有機ダイオードの電流−電圧特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

本発明に係る有機半導体回路基板１は、有機トランジスタ２、有機ダイオード３及び薄膜コンデンサ４の３種の有機半導体デバイスをそれぞれ少なくとも１つ以上基板５に設けて形成されるものであり、具体的にはこのような有機半導体回路基板１は、図１（断面図）及び図２（平面図）に示すような手順に従って製造することができる。以下においては、有機トランジスタ２、有機ダイオード３及び薄膜コンデンサ４をそれぞれ１つずつ基板５に設けて形成される有機半導体回路基板１について説明するが、本発明はこのような有機半導体回路基板１に限定されるものではない。

まず、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、基板５の表面に電極材料１９を供給することによって、有機トランジスタ２のゲート電極６、有機ダイオード３の陽極１１及び薄膜コンデンサ４の陽極１４を同時に形成する。ここで、基板５としては、特に限定されるものではないが、例えば、フィルム基板、ガラス基板、Ｓｉ基板等を用いることができる。また、電極材料１９としては、特に限定されるものではないが、例えば、金、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、アルミニウム等を用いることができる。電極材料１９を基板５に供給するにあたっては、スパッタリングや真空蒸着による薄膜の製膜法を行うことができ、また、パターンニングはメタルマスク等を用いて公知の方法で行うことができる。このようにして得られる有機トランジスタ２のゲート電極６、有機ダイオード３の陽極１１及び薄膜コンデンサ４の陽極１４の厚みは５００〜２０００Åであることが好ましい。

次に、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、有機トランジスタ２のゲート電極６及び薄膜コンデンサ４の陽極１４の表面に誘電体材料１７を供給することによって、有機トランジスタ２のゲート絶縁層７及び薄膜コンデンサ４の誘電体層１５を同時に形成する。ここで、誘電体材料１７としては、五酸化タンタル、二酸化チタン、三酸化アルミニウム、チタン酸バリウム及びチタン酸バリウム・ストロンチウムから選択されるものを用いるのが好ましい。このような誘電体材料１７を用いると、他の誘電体材料１７を用いるよりも、デバイス特性が優れた有機半導体回路基板１を製造することができるものである。具体的には、有機トランジスタ２についてはキャリア移動度を高めることができ、また、薄膜コンデンサ４については所望の静電容量を得ることができるものである。誘電体材料１７を供給するにあたっては、スパッタリングや真空蒸着による薄膜の製膜法を行うことができる。このとき、有機トランジスタ２のゲート絶縁層７と薄膜コンデンサ４の誘電体層１５とが同じ厚みであることが好ましい。このように同じ厚みであれば、これらの層７，１５の形成を同時に開始することによりこれらの層７，１５の形成を同時に終了させることが可能となり、有機半導体回路基板１の製造方法をさらに簡略化することができるものである。このようにして得られる有機トランジスタ２のゲート絶縁層７及び薄膜コンデンサ４の誘電体層１５の厚みは１０００〜５０００Åであることが好ましい。

次に、図１（ｃ）及び図２（ｃ）に示すように、有機トランジスタ２のゲート絶縁層７及び有機ダイオード３の陽極１１の表面に有機半導体材料１８を供給することによって、有機トランジスタ２の半導体層８及び有機ダイオード３の半導体層１２を同時に形成する。ここで、有機半導体材料１８としては、ペンタセン及び銅フタロシアニン等の金属フタロシアニンから選択されるものを用いるのが好ましい。このような有機半導体材料１８を用いると、他の有機半導体材料１８を用いるよりも、デバイス特性が優れた有機半導体回路基板１を製造することができるものである。具体的には、有機トランジスタ２についてはキャリア移動度を高めることができ、また、有機ダイオード３については優れた電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を得ることができるものである。有機半導体材料１８を供給するにあたっては、スパッタリングや真空蒸着による薄膜の製膜法を行うことができる。このとき、有機トランジスタ２の半導体層８と有機ダイオード３の半導体層１２とが同じ厚みであることが好ましい。このように同じ厚みであれば、これらの層８，１２の形成を同時に開始することによりこれらの層８，１２の形成を同時に終了させることが可能となり、有機半導体回路基板１の製造方法をさらに簡略化することができるものである。このようにして得られる有機トランジスタ２の半導体層８及び有機ダイオード３の半導体層１２の厚みは５００〜１５００Åであることが好ましい。

その後、図１（ｄ）及び図２（ｄ）に示すように、有機トランジスタ２の半導体層８、有機ダイオード３の半導体層１２、薄膜コンデンサ４の誘電体層１５及び基板５の表面に電極材料１９を供給することによって、有機トランジスタ２のソース・ドレイン電極９，１０、有機ダイオード３の陰極１３及び薄膜コンデンサ４の陰極１６並びに有機トランジスタ２、有機ダイオード３及び薄膜コンデンサ４を導通する配線パターン２０を同時に形成する。なお、ソース・ドレイン電極９，１０は、ソース電極９とドレイン電極１０からなるものであり、これらは分離していずれも半導体層８の表面に形成されている。以上のようにして有機半導体回路基板１を簡便に製造することができるものである。ここで、電極材料１９としては、特に限定されるものではないが、例えば、金、ＩＴＯ、アルミニウム等を用いることができる。電極材料１９を供給するにあたっては、スパッタリングや真空蒸着による薄膜の製膜法を行うことができ、また、パターンニングはメタルマスク等を用いて公知の方法で行うことができる。このようにして得られる有機トランジスタ２のソース・ドレイン電極９，１０、有機ダイオード３の陰極１３及び薄膜コンデンサ４の陰極１６並びに有機トランジスタ２、有機ダイオード３及び薄膜コンデンサ４を導通する配線パターン２０の厚みは５００〜１５００Åであることが好ましい。また、有機トランジスタ２の性能については、図１（ｄ）に示すようにソース電極９及びドレイン電極１０の部分が半導体層８の上に形成される上部接触の方が、ソース電極９及びドレイン電極１０の部分が半導体層８の下に形成される下部接触よりも、特性が良好であるため、上部接触の方が好ましい。

本発明に係る有機半導体回路基板にあっては、有機トランジスタ２は、ゲート電極６、ゲート絶縁層７、半導体層８及びソース・ドレイン電極９，１０をこの順に積層して形成され、有機ダイオード３は、陽極１１、半導体層１２及び陰極１３をこの順に積層して形成され、薄膜コンデンサ４は、陽極１４、誘電体層１５及び陰極１６をこの順に積層して形成されると共に、有機トランジスタ２のゲート絶縁層７と薄膜コンデンサ４の誘電体層１５とが同じ誘電体材料１７で形成され、かつ、有機トランジスタ２の半導体層８と有機ダイオード３の半導体層１２とが同じ有機半導体材料１８で形成されているので、有機トランジスタ２のゲート絶縁層７と薄膜コンデンサ４の誘電体層１５とを共通の材料で形成し、かつ、有機トランジスタ２の半導体層８と有機ダイオード３の半導体層１２とを共通の材料で形成することにより、製造方法を簡略化することができ、簡便に有機半導体回路基板１を製造することができるものである。よって、結果として有機半導体回路基板１の生産性を向上させることができるものである。そして、このようにして得られる有機半導体回路基板１は、例えば、高周波無線タグ等に応用することができるものである。

図１及び図２に示す有機半導体回路基板１は、有機トランジスタ２、有機ダイオード３及び薄膜コンデンサ４をそれぞれ１つずつ基板５に設けて形成される最も簡単な構造を取るものであるが、有機トランジスタ２、有機ダイオード３及び薄膜コンデンサ４のうち１種、２種又は３種すべての有機半導体デバイスを複数個同一の基板５に設けて有機半導体回路基板１を形成してもよい。そうすると、例えば、有機ダイオード３でブリッジ回路を形成することにより、交流電流を整流することが可能となるものである。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。

まず、基板５に電極材料１９を供給することによって、有機トランジスタ２のゲート電極６、有機ダイオード３の陽極１１及び薄膜コンデンサ４の陽極１４を同時に形成した（図１（ａ）及び図２（ａ））。ここで、基板５としては、シクロオレフィン系フィルム基板を用いた。また、電極材料１９としては、ＩＴＯを用いた。これをフィルム基板に供給するにあたっては、スパッタリングによる薄膜の製膜法を行った。このようにして得られた有機トランジスタ２のゲート電極６、有機ダイオード３の陽極１１及び薄膜コンデンサ４の陽極１４の厚みはいずれも１０００Åであった。なお、後に配線パターン２０を形成する都合上、有機トランジスタ２のゲート電極６、有機ダイオード３の陽極１１及び薄膜コンデンサ４の陽極１４は若干大きめに形成してある。

次に、有機トランジスタ２のゲート電極６及び薄膜コンデンサ４の陽極１４に誘電体材料１７を供給することによって、有機トランジスタ２のゲート絶縁層７及び薄膜コンデンサ４の誘電体層１５を同時に形成した（図１（ｂ）及び図２（ｂ））。ここで、誘電体材料１７としては、五酸化タンタルを用いた。これを供給するにあたっては、スパッタリングによる薄膜の製膜法を行った。このようにして得られた有機トランジスタ２のゲート絶縁層７及び薄膜コンデンサ４の誘電体層１５の厚みはいずれも３８００Åであった。

次に、有機トランジスタ２のゲート絶縁層７及び有機ダイオード３の陽極１１に有機半導体材料１８を供給することによって、有機トランジスタ２の半導体層８及び有機ダイオード３の半導体層１２を同時に形成した（図１（ｃ）及び図２（ｃ））。ここで、有機半導体材料１８としては、ペンタセンを用いた。これを供給するにあたっては、真空蒸着による薄膜の製膜法を行った。このようにして得られた有機トランジスタ２の半導体層８及び有機ダイオード３の半導体層１２の厚みはいずれも１０００Åであった。

その後、有機トランジスタ２の半導体層８、有機ダイオード３の半導体層１２、薄膜コンデンサ４の誘電体層１５及び基板５に電極材料１９を供給することによって、有機トランジスタ２のソース・ドレイン電極９，１０、有機ダイオード３の陰極１３及び薄膜コンデンサ４の陰極１６並びに有機トランジスタ２、有機ダイオード３及び薄膜コンデンサ４を導通する配線パターン２０を同時に形成した（図１（ｄ）及び図２（ｄ））。このようにして有機半導体回路基板１を製造した。これについての電気回路図を図３に示す。ここで、有機ダイオード３の陰極１３及び薄膜コンデンサ４の陰極１６を形成するための電極材料１９としては、アルミニウムを用い、また、有機トランジスタ２のソース・ドレイン電極９，１０及び配線パターン２０を形成するための電極材料１９としては、金を用いた。いずれの電極材料１９を供給するにあたっても、真空蒸着による薄膜の製膜法を行った。また、パターンニングはメタルマスクを用いて行った。このようにして得られた有機ダイオード３の陰極１３及び薄膜コンデンサ４の陰極１６の厚みは１０００Åであり、また、上記のようにして得られた有機トランジスタ２のソース・ドレイン電極９，１０及び配線パターン２０の厚みは５００Åであった。以上のようにして有機半導体回路基板１を簡便に製造することができた。

そして、上記のようにして得られた有機半導体回路基板１のデバイス特性を調査したところ、以下のような結果が得られた。すなわち、有機ダイオード３については、図４に示すように逆電圧印加時における漏れ電流がほぼゼロであり、優れた電流−電圧特性を得ることができた。また、有機トランジスタ２については、０．１ｃｍ２／Ｖｓ以上という高いキャリア移動度を得ることができた。さらに、薄膜コンデンサ４については、その面積を変化させることにより、容易に所望の静電容量を得ることができた。

１有機半導体回路基板
２有機トランジスタ
３有機ダイオード
４薄膜コンデンサ
５基板
６ゲート電極
７ゲート絶縁層
８半導体層
９ソース電極
１０ドレイン電極
１１陽極
１２半導体層
１３陰極
１４陽極
１５誘電体層
１６陰極
１７誘電体材料
１８有機半導体材料
１９電極材料
２０配線パターン

Claims

有機トランジスタ、有機ダイオード及び薄膜コンデンサを基板に設けて形成される有機半導体回路基板であって、前記有機トランジスタは、ゲート電極、ゲート絶縁層、半導体層及びソース・ドレイン電極をこの順に積層して形成され、前記有機ダイオードは、陽極、半導体層及び陰極をこの順に積層して形成され、前記薄膜コンデンサは、陽極、誘電体層及び陰極をこの順に積層して形成されると共に、前記有機トランジスタのゲート絶縁層と前記薄膜コンデンサの誘電体層とが五酸化タンタル、二酸化チタン、三酸化アルミニウム、チタン酸バリウム及びチタン酸バリウム・ストロンチウムから選択される同じ誘電体材料で形成され、かつ、前記有機トランジスタの半導体層と前記有機ダイオードの半導体層とが同じ有機半導体材料で形成されて成ることを特徴とする有機半導体回路基板。
前記有機半導体材料として、ペンタセン及び金属フタロシアニンから選択されるものを用いて成ることを特徴とする請求項１に記載の有機半導体回路基板。
前記有機トランジスタのゲート絶縁層と前記薄膜コンデンサの誘電体層とが同じ厚みであることを特徴とする請求項１又は２に記載の有機半導体回路基板。
前記有機トランジスタの半導体層と前記有機ダイオードの半導体層とが同じ厚みであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の有機半導体回路基板。