JP2009176985A - 有機半導体層を有する新規光電界効果トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光電界効果トランジスタは、以下のゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、及びドレイン電極並びに有機半導体層を順次含み、前記有機半導体層が広がる面内に前記ソース電極とドレイン電極が間隔を空けて配置されて前記ソース電極とドレイン電極の間の有機半導体層内にチャンネルが形成され、前記有機半導体層への光照射に応じて生じる前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の電流変化又は閾値電圧変化が検出され、そして前記有機半導体層が、p型とn型の接合構造ではなく、p型半導体単体又はn型半導体単体のいずれか1種で構成される。
【選択図】図1
Description
[1] 以下の:
ゲート電極;
ゲート絶縁膜;
ソース電極、及びドレイン電極; 並びに
有機半導体層;
を順次含む光電界効果トランジスタであって、前記有機半導体層が広がる面内に前記ソース電極とドレイン電極が間隔を空けて配置されて前記ソース電極とドレイン電極の間の有機半導体層内にチャンネルが形成され、前記有機半導体層への光照射に応じて生じる前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の電流変化又は閾値電圧変化が検出され、そして前記有機半導体層が、p型とn型の接合構造ではなく、p型半導体単体又はn型半導体単体のいずれか1種で構成されることを特徴とする、前記光電界効果トランジスタ。
通常の光センサーは半導体を一対の電極でサンドイッチした構造であるため、下部電極上に半導体層を形成した後に上部電極を形成し、さらに、上部電極又は下部電極のいずれかを透光性電極とするする必要がある。これに反し、本発明に係る光電界効果トランジスタは、ソース電極とドレイン電極が有機半導体層(薄膜)が広がる面内で間隔を空けて配置されたプレナー型素子構造を呈するので、ソース電極とドレイン電極の電極パターン上に有機半導体層を単層で形成するだけで素子を形成することができ、また、ソース電極とドレイン電極間の距離が前記したサンドイッチ構造に比較して大きく取れるため半導体層の欠陥による短絡や欠陥素子の頻度が低減され、さらには、透光性でない電極材料を使用することもできる。
以下、本発明の係る光電界効果トランジスタに用いる有機半導体材料、当該有機半導体材料を用いた有機半導体層の作製、光電界効果トランジスタの製造方法、及び得られた光電界効果トランジスタの性能について順次説明する。
本発明に係る光電界効果トランジスタは、光センサーとして機能し、かかる光センサーの受光部としての有機半導体層は、有機半導体材料の薄膜として形成される。かかる有機半導体層は、p型とn型の接合構造ではなく、p型半導体単体又はn型半導体単体のいずれか1種で構成される。
有機半導体層の作製方法としては、使用する有機半導体材料によって、通常のドライプロセスとウエットプロセスの両者とも利用できる。低分子系有機半導体材料にはドライプロセス、例えば、MBE法、真空蒸着法、気相輸送成長法、スパッタリング法、レーザー蒸着法等が適用できる。気相輸送成長法とは、材料を加熱して昇華した蒸気を、高真空、真空、低真空又は常圧で基板表面に輸送して薄膜を形成するものである。また、スパッタリング法は、プラズマ中でイオン化させて、例えば、テトラセンの分子を基板上に堆積して薄膜を形成する方法である。また、レーザー蒸着法は、レーザー照射により材料を加熱して蒸気を生成させ、分子を基板上に堆積して薄膜を形成する方法である。これらの各種作製方法の内、MBE法、真空蒸着法、及び気相輸送成長法は、生成する薄膜の平坦性及び有機半導体材料の結晶性に優れるので好ましい。
本発明に係る光電界効果トランジスタの構造としては、例えば、基板/ゲート電極(シリコン基板)/絶縁体層(誘電体層、ゲート絶縁膜、シリコン熱酸化膜)/ソース電極及びドレイン電極/有機半導体層という構造;基板/有機半導体層/ソース電極及びドレイン電極/絶縁体層(誘電体層、ゲート絶縁膜、シリコン熱酸化膜)/ゲート電極(シリコン基板)という構造;並びに基板/ソース電極/半導体層+絶縁体層(誘電体層)+ゲート電極/ドレイン電極という構造など挙げられる。ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極は、それぞれ、複数設けてもよい。また、複数の有機半導体層を同一面内に設けてもよいし、積層してもよい。基板/ゲート電極(シリコン基板)/絶縁体層(誘電体層、ゲート絶縁膜、シリコン熱酸化膜)/ソース電極及びドレイン電極/有機半導体層という構造;及び基板/有機半導体層/ソース電極及びドレイン電極/絶縁体層(誘電体層、ゲート絶縁膜、シリコン熱酸化膜)/ゲート電極(シリコン基板)という構造、すなわち、基板面内方向に並行して形成された有機半導体層内にソース電極とドレイン電極が当該面内で少なくとも当該有機半導体層を介して接合し、そして当該ソース電極とドレイン電極の間のチャネル部の有機半導体層に積層された絶縁体層と、当該有機半導体層と反対側の当該絶縁体層の面にゲート電極が形成された構造が、好ましい。このような構造は、通常のフォトダイオードなどのサンドイッチ構造の縦型素子に比較して有機半導体層のチャネル部を介して配置されたソース電極とドレイン電極の間の距離を比較的長くすることができるので、当該電極間の短絡による素子欠損等が起こりにくいため好ましい。
なお、本発明に係る光電界効果トランジスタの上に、保護層、配線、別素子等をさらに積層することもできる。
本発明に係る光電界効果トランジスタは、電界効果トランジスタの光照射前後のドレイン電流の変化及び/又は閾値電圧の変化を検出することにより、光センサーとして機能する。したがって、電圧モード及び/又は電流モードで動作させることができるため利用範囲は広い。電界効果トランジスタの伝達特性曲線は、一定ドレイン電圧におけるゲート電圧とドレイン電流との関係を示し、本発明に係る光電界効果トランジスタは光照射前後の伝達特性曲線変化を検出するものである。例えば、p型半導体を用いた場合、光照射によってフリーキャリアが増加し、伝達曲線における閾値電圧が正電位側にシフトする。一方、n型半導体をチャネルに用いた電界効果トランジスタでは光照射により逆電位(負電位)側にシフトする。この閾値電圧のシフトから電界効果トランジスタの半導体チャネルに照射されている光を検出することができる。このシフト幅は用いる有機半導体材料の電子構造、不純物、構造欠陥などによって異なるため限定されないが、本発明に係る光電界効果トランジスタにおいては、通常の室内(照明)光(250Lx)の光照射前後で閾値電圧が数mVから20V程度まで変化する。また、電流モードで検出する場合、電界効果トランジスタのゲート電圧を選ぶことによって暗所での低ドレイン電流(暗電流)と明所での高ドレイン電流(明電流)の電流差、すなわち、電流比により光を検出することができる。本発明の光センサーにより通常の室内光照射の前後で6桁以上の明電流/暗電流比を検出することもできる。通常のシリコンのフォトダイオードでは、3桁ないし4桁の明電流/暗電流比であるので、従来型のフォトダイオードに比較して本発明に係る光電界効果トランジスタは高感度である。さらに、フタロシアニンなどの代表的な光導電体を用いショットキー障壁を設けた積層構造素子の光電特性は明電流/暗電流比として3桁ないし4桁であるので、この点でも、本発明に係る光電界効果トランジスタは高感度である。さらに、本発明に係る光電界効果トランジスタの暗電流は10-10〜10-12A程度と低く、暗状態での消費電力が低減できるため好ましい。通常のシリコンフォトダイオードの暗電流はサブμA以上であることから、本発明に係る光電界効果トランジスタは低暗電流を特徴とするといえる。本発明に係る光電界効果トランジスタにおいては、光照射時の出力として、単純な構造(電界効果トランジスタのチャネル長20μm/チャネル幅500μm)においても10μW〜mWの出力が可能である。また、光照射時の出力調整のため電界効果トランジスタの電極構造を適宜変更することができ、例えば、串型電極でチャネル長を長くして出力を増加させることもできる。
実施例1:有機半導体材料として2,3−ジブチルテトラセンを用いた光電界効果トランジスタの製造及びその性能
4,5−ジブチル−1,2−フタルアルデヒドと1,4−ジヒドロキシナフタレンをカップリングして合成した。次いで、得られた2,3−ジブチル−6,11−テトラセンキノンを還元して、2,3−ジブチルテトラセンを合成した。
得られた2,3−ジブチルテトラセンを石英セルに装填し、真空蒸着装置を用いシリコン基板上に2,3−ジブチルテトラセン薄膜を作製した(成膜時のバックプレッシャーは2×10-5Pa、基板温度30℃、成膜速度15nm/minで膜厚200nmの薄膜を成長させた)。シリコン基板として、n型ドーパントでドープされたシリコン基板(厚さ200nmの酸化膜を表面に備えている)の表面にソース電極及びドレイン電極として金電極のパターンを形成し、次いで基板表面にヘキサメチレンジシラザン(和光純薬製)をスピンコート(2000rpm、20秒)処理したものを用いた。このようにして薄膜トランジスタ(チャネル長20μm、チャネル幅500μm)を作製した。
該薄膜トランジスタの薄膜形態を原子間力顕微鏡により観察した結果、平均粒径0.2μmからなる結晶粒子が密集して形成されていることがわかった。
4−ヘキシル−1,2−フタルアルデヒドと1,4−ジヒドロキシナフタレンのカップリングで得た2−ヘキシル−6,11−テトラセンキノンを還元して、2−ヘキシルテトラセンを合成した。
実施例1と同様にして電極パターンが形成されたシリコン基板上に2−ヘキシルテトラセンの蒸着膜を作製した(バックプレッシャー2.5×10-6Pa、基板温度は30℃、成膜速度は15nm/minで膜厚200nmの薄膜を成長させた)。
該薄膜トランジスタの薄膜形態を原子間力顕微鏡により観察した結果、平均粒径0.5μmからなる結晶粒子が密集して形成されていることがわかった。
得られた薄膜トランジスタの伝達特性を暗状態および蛍光灯の室内灯(約200Lx)照射下(明状態)で測定した結果、on電圧は暗状態では10Vであったが明状態で18Vにシフトした。閾値電圧は暗状態では−2V、明状態では+6Vであった。また、ゲート電圧20Vにおける明電流/暗電流比は6桁であった。また、2−ヘキシルテトラセン薄膜のキャリア移動度は0.06cm2/V・sであった。
4−ブトキシ−1,2−フタルアルデヒドと1,4−ジヒドロキシナフタレンのカップリングで得た2−ブトキシ−6,11−テトラセンキノンを還元して、2−ブトキシテトラセンを合成した。
実施例1と同様にして電極パターンが形成されたシリコン基板上に2−ブトキシテトラセンの蒸着膜を作製した(バックプレッシャー7×10-6Pa、基板温度は30℃、成膜速度は15nm/minで膜厚200nmの薄膜を成長させた)。
該薄膜トランジスタの薄膜形態を原子間力顕微鏡により観察した結果、平均粒径0.8μmからなる結晶粒子が密集して形成されていることがわかった。
得られた薄膜トランジスタの伝達特性を暗状態および蛍光灯の室内灯(約200Lx)照射下(明状態)で測定した結果、on電圧は暗状態では2Vであったが明状態で5Vにシフトした。閾値電圧は暗状態では−9V、明状態では−5Vであった。また、ゲート電圧20Vにおける明電流/暗電流比は6桁であった。2−ブトキシテトラセン薄膜のキャリア移動度は0.02cm2/V・sであった。
Claims (5)
- 以下の:
ゲート電極;
ゲート絶縁膜;
ソース電極、及びドレイン電極;並びに
有機半導体層;
を順次含む光電界効果トランジスタであって、前記有機半導体層が広がる面内に前記ソース電極とドレイン電極が間隔を空けて配置されて前記ソース電極とドレイン電極の間の有機半導体層内にチャンネルが形成され、前記有機半導体層への光照射に応じて生じる前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の電流変化又は閾値電圧変化が検出され、そして前記有機半導体層が、p型とn型の接合構造ではなく、p型半導体単体又はn型半導体単体のいずれか1種で構成されることを特徴とする、前記光電界効果トランジスタ。 - 前記有機半導体層が結晶性縮合多環芳香族化合物を含む、請求項1に記載の光電界効果トランジスタ。
- 前記結晶性縮合多環芳香族が結晶性アセン系化合物である、請求項2に記載の光電界効果トランジスタ。
- 前記結晶性アセン系化合物がテトラセン又はテトラセン誘導体である、請求項3に記載の光電界効果トランジスタ。
- 前記テトラセン誘導体が、2,3−ジブチルテトラセン、2−ヘキシルテトラセン、及び2−ブトキシテトラセンから成る群から選ばれる、請求項4に記載の光電界効果トランジスタ。
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