JP2009164368A - 有機薄膜トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体−電極界面、および、半導体−ゲート絶縁体界面におけるフェルミエネルギーの差の大きさを与える数式を用いて、TFT材料を変えずに電極および絶縁膜の表面修飾だけを選択的に変化してn型とp型のTFTを実現する。任意回路を構成するために、p型チャネルTFT用のソース電極とゲート電極、および、n型チャネルTFT用のドレイン電極とゲート電極をすべてつないでおいて、表面修飾のプロセスを行い、その後、光照射などにより不要配線を切断する。
【選択図】図3A
Description
Φ=φM−χS+Δ (数1)
と求めることが出来る。このとき、真空準位シフトΔは、電子が電極から半導体に注入される場合に、ショットキー障壁Φが大きくなるときに正の符号をとることとし、φMは、電極の仕事関数、χSは、半導体の電子親和力(真空準位と伝導帯下端エネルギーの差)である。さらに、非特許文献2によると、ショットキー障壁Φは、(数2)
Φ=γB(φM−χS)+(1−γB)Eg/2 (数2)
で与えられる。ここで、(数3)〜(数5)は次の通りである。
γB=1−e2dMSNB/εit(Eg+κ) (数3)
κ=4e2/(εSdB)−2e2/(εitdMS) (数4)
εit=1/(1/(2εS)+1/(2εM)) (数5)
ここで、Eg:半導体のバンドギャップエネルギー、e:電子の素電荷量、dMS:電極−半導体界面における電極と半導体を構成する原子間距離、NB:電極−半導体界面における単位面積あたりのボンド(原子間結合)の個数、a:電極−半導体界面における界面方向の構成原子の最近接原子数、εS:半導体の比誘電率、dB:電極−半導体界面における界面方向の構成原子間距離、εM:電極の比誘電率である。電極が金属の場合は、εM〜無限大であるので、(数5)は、
εit〜2εS (数6)
を用いる。電極が金属でない場合には、(式5)をそのまま用いることが出来る。
ところが、非特許文献2に議論は、界面での原子間結合が主として化学結合の電極−無機半導体界面にだけ適応が議論されていて、一般的に、比較的結合が弱い、電極−有機半導体界面には適応できない。
(実施例1)
本実施例では、非特許文献2の議論を拡張して、電極−有機半導体の界面において、ショットキー障壁Φを電極と半導体の構成元素の物理定数から一般的に導く手法を導く。電極−有機半導体の組み合わせとして、水素終端シリコン表面−ポリチオフェン高分子、金−ペンタセン結晶、銀−ペンタセン結晶、金−各種チオール単分子膜、銀−各種チオール単分子膜等の電子状態を第一原理計算による理論計算および走査トンネル顕微鏡による電子状態測定により調べた結果、(数7)から(数11)を用いて、ショットキー障壁Φを一般的に見積もることができることがわかった。
すなわち、キャリアが電子の場合、ショットキー障壁Φは、
Φ=γB(φM−χS)+(1−γB)Eg/2 (数7)
で与えられる。ここで、(数8)〜(数10)は次の通りである。
γB=1−αMSe2dMSNB/εit(Eg+κ) (数8)
κ=aαBe2/(εSdB)−2αMSe2/(εitdMS) (数9)
εit=1/(1/(2εS)+1/(2εM)) (数10)
特に電極が金属の場合は、
εit〜2εS (数11)
であり、φM:電極の仕事関数、χS:有機半導体の電子親和力、Eg:有機半導体のバンドギャップエネルギー、αMS:電極−有機半導体間の相互作用補正係数、e:電子の素電荷量、dMS:電極−有機半導体界面における電極と有機半導体の原子間距離、NB:電極−有機半導体界面における単位面積あたりのボンド(化学結合、または、その他の相互作用)の個数、a:電極−有機半導体界面における界面方向の電極構成原子の最近接原子数、αB:電極−有機半導体界面における界面方向の電極構成要素間の相互作用補正係数、εS:有機半導体の比誘電率、dB:電極−有機半導体界面における界面方向の電極構成原子間距離、εM:電極の比誘電率(電極が金属の場合は、εM〜無限大)である。αMSおよびαBは、それぞれ、電極−有機半導体間および電極構成要素間の相互作用に関する、相互作用の種類による補正係数で、金属結合や無機半導体のイオン結合や共有結合に対しては、ほぼα=1の値を、一般的に相互作用の小さなファン・デル・ワールス力(分子間力)に対しては、α=0.7〜1程度の値を、また、銀とペンタセン分子のようにある程度の電荷の移動が期待される相互作用に対しては、α=0.4〜1の値を用いると、ショットキー障壁Φの良い見積もりが得られることがわかった。
(1)電極として、銀および酸化銀を用い、有機半導体として、ペンタセン結晶(単結晶、または、多結晶)を用いる。
(2)電極:銀および硫化銀(または、硫黄原子に炭化水素分子が結合したチオール分子)、有機半導体:ペンタセン結晶(単結晶、または、多結晶)。
(3)電極:チタン、酸化チタン、有機半導体:ペンタセン結晶(単結晶、または、多結晶)。
(4)電極:炭化チタン、酸化チタン、有機半導体:ペンタセン結晶(単結晶、または、多結晶)。
(実施例2)
本実施例では、本発明によるn型チャネル有機TFTの基本セルの一例を開示する。
(実施例3)
本実施例においては、本発明により形成される有機TFTの製造方法の一例を開示する。図2A−Fは、本発明により形成される有機TFTの製造方法の一例を示す断面図である。本実施例では可塑性を有する材料を用い、リソグラフィーに依らない、印刷や塗布などの方法で本発明の有機TFTを構成する方法について説明する。図2A−Fは製造方法を具体的に説明する図である。
次に、感光性薄膜64の溶剤を用いて感光性薄膜64を除去することにより撥水膜65がリフトオフされる。本実施例では感光性薄膜溶剤としてアセトンを用いた。この段階で、(実施例2)で示したように、パラ−アミノフェニルトリメトキシシランをシランカップリング反応によりゲート絶縁膜13に堆積させ、0.3分子層〜5.0分子層のアミノフェニル基でゲート絶縁膜修飾構造81を形成する。また、ソース電極68とドレイン電極70については、4−アミノチオフェノールによる電極修飾構造82を形成する(図2E)。
(実施例4)
本実施例では、本発明による有機CTFTアレイの基本セルの一例を開示する。
(実施例5)
本実施例では、本発明における有機TFT用電極の表面処理の連続加工を実現する製造装置の一部の模式図例を開示する。図4A−Cは、本発明による、有機TFT用電極の表面処理の連続加工を実現する製造装置の一部の一例を示す図である。
図4Aは、2槽式連続加工製造装置の一例の概略図である。容器42と容器43は、連続基板31を通過させることにより、それぞれ、例えば、ゲート絶縁膜修飾構造と電極修飾構造を構成するために用いる。
図4Bは、連続基板において電圧印加用配線と有機薄膜トランジスタアレイ部の配置の一例を示す概略図である。
図4Cは、相補型有機薄膜トランジスタ用電極およびゲート絶縁膜の表面処理槽の模式図例である。容器40は、装置全体の雰囲気を保つために例えば乾燥窒素で満たされるが、使用する有機半導体や電極材料の特性によっては、必ずしも必要とは限らない。基板31上には、n型チャネルTFTとp型チャネルTFT用のソース電極およびドレイン電極が形成してあり、可塑性を有するフレキシブル基板を用いている。基板31は、基板誘導ローラー32と33(巻き出し側)が回転するに従い送り出され、基板誘導ローラー32と33(巻き取り側)が回転することにより巻き出される。容器40の前後には、電極の表面加工以外の製造装置が連続して設置することもできる。
Claims (10)
- 基板上に設けられたゲート絶縁体と、
前記ゲート絶縁体上の一部に設らけれたソース電極と、
前記ゲート絶縁体上の前記ソース電極と対峙する位置に設らけれたドレイン電極と、
前記ソース電極およびドレイン電極に挟まれて前記ゲート絶縁体上に設けられた有機半導体薄膜とを有し、
前記ソース電極、又はドレイン電極の少なくとも一方が、酸化金属、還元された前記酸化金属、あるいは有機薄膜のいずれか、または前記酸化金属、還元された前記酸化金属、あるいは前記有機薄膜のいずれかの表面と前記有機半導体薄膜との間に介在する前記酸化金属と異なる他の金属をさらに有し、
前記ゲート絶縁体と前記有機半導体薄膜との間に介在する前記ゲート絶縁体と異なる絶縁体を有することを特徴とする有機薄膜トランジスタ。 - 前記ソース電極と前記ドレイン電極が第1の金属で構成され、
前記ソースおよびドレイン電極の表面が、前記第1の金属を含む厚さ0.3原子層乃至5原子層を有する化合物からなる第1の薄膜で覆われ、
前記ゲート絶縁体表面が、厚さ0.3分子層乃至5分子層を有する第2の薄膜で覆われていることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 前記第1の金属が、金、銀、銅、またはチタンのいずれかであり、
前記第1の薄膜が、厚さ0.3分子層乃至5分子層を有するペンタフルオロベンゼンチオール、ペルフルオロアルキルチオール、トリフルオロメタンチオール、ペンタフルオロエタンチオール、ヘプタフルオロプロパンチオール、ノナフルオロブタンチオール、ブタンナトリウムチオール、ブタン酸ナトリウムチオール、ブタノールナトリウムチオール、または、アミノチオフェノールで覆われる構造を有し、
前記第2の薄膜が、厚さ0.3分子層乃至5分子層を有するアミン系分子基で覆われる構造を有することを特徴とする請求項2に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 前記第1の金属が、金、銀、銅、またはチタンのいずれか一つで構成され、
前記第1の薄膜が、厚さ0.3原子層乃至5原子層を有する硫黄、酸素、ハロゲン元素、カルシウム、マグネシウム、または、それらの元素と電極元素との化合物からなる薄膜で覆われる構造を有し、
前記第2の薄膜が、厚さ0.3分子層乃至5分子層を有するアミン系分子基で覆われる構造を有することを特徴とする請求項2に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 基板上に設けられた第1のゲート絶縁体と、前記第1のゲート絶縁体上の一部を覆うように設らけれた第1のソース電極および第1のドレイン電極と、前記第1のソース電極および第1のドレイン電極に挟まれて前記第1のゲート絶縁体上に設けられた第1の有機半導体薄膜とを具備してなる第1の素子と、
前記基板上に設けられた第2のゲート絶縁体と、前記第2のゲート絶縁体上の一部を覆うように設らけれた第2のソース電極および第2のドレイン電極と、前記第2のソース電極および第2のドレイン電極に挟まれて前記第2のゲート絶縁体上に設けられた第2の有機半導体薄膜とを具備してなる第2の素子とを有し、
前記第1のソース電極、又は第1のドレイン電極の少なくとも一つが、酸化金属、還元された前記酸化金属、あるいは有機薄膜のいずれか、または前記酸化金属、還元された前記酸化金属、あるいは前記有機薄膜のいずれかの表面と前記有機半導体薄膜との間に介在する前記酸化金属と異なる他の金属をさらに有し、
前記第2のソース電極および第2のドレイン電極は、前記酸化金属、還元された前記酸化金属、あるいは前記有機薄膜のいずれかの表面と前記有機半導体薄膜との間に介在する前記酸化金属と異なる他の金属を有することなく、
前記第1のゲート絶縁体と前記有機半導体薄膜との間に介在する前記ゲート絶縁体と異なる絶縁体を有すること特徴とする有機薄膜トランジスタ。 - 前記第1および第2のソース電極と、前記第1および第2のドレイン電極が、金、銀、銅、または、チタンのいずれか一つで構成され、
前記第1のソース電極の表面が、厚さ0.3原子層乃至5原子層を有する硫黄、酸素、ハロゲン元素、カルシウム、マグネシウム、またはそれらの元素と前記電極を構成する元素との化合物からなる薄膜で覆われる構造を有し、
前記ゲート絶縁体表面が、厚さ0.3分子層乃至5分子層を有するアミン系分子基で覆われる構造を有することを特徴とする請求項5に記載の有機薄膜トランジスタ。 - 基板上に第1および第2のゲート電極を形成する工程と、
前記第1および第2のゲート電極を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜表面の一部を覆うように前記第1および第2のゲート電極上にそれぞれ、第1および第2のソース電極および第1および第2のドレイン電極を形成する工程と、
前記第1のソース電極および前記第1のドレイン電極を酸化または還元することにより前記ソースおよびドレイン電極上に第1の薄膜を形成する第1の酸化還元工程と、
前記第1のゲート電極上に形成された前記ゲート絶縁体を酸化または還元することにより前記ゲート絶縁体上に第2の薄膜を形成する第2の酸化還元工程と、
前記第1および第2の薄膜の一部を除去する除去工程と、
前記第1および第2のソース電極、前記第1および第2のドレイン電極および前記ゲート絶縁体上に有機半導体薄膜を形成する工程とを有することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記第1および第2の酸化還元工程における前記酸化または還元が、電気化学的な溶液反応、または、溶液による化学反応、または、気相反応のいずれかにより行われることを特徴とする請求項7に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記第1および第2の酸化還元工程の少なくとも一工程は、前記第1および第2の電極および前記ゲート絶縁体が形成された可塑性を有する基板を、溶液中または気相中に連続的に通過させることにより、酸化または還元を行うことを特徴とする請求項7に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記第1および第2の酸化還元工程において、前記ソース、ドレイン電極、および前記ゲート絶縁体を構成する材料と異なる物質を前記ソース、ドレイン電極、および前記ゲート絶縁体の表面に吸着、または吸着した一部の物質を脱離加工することを特徴とする請求項7に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
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