JP2009218406A - 有機電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大面積化や効率的な生産が可能な高移動度の有機電界効果トランジスタの製造方法を提供する。
【解決手段】本実施形態に係る有機電界効果トランジスタは、基台２０上に複数の薄片状の有機半導体単結晶１５ａを成長させる工程と、複数のトランジスタ用のゲート絶縁膜１２及び電極１１，１３，１４を備えるデバイス用基板１０に、複数の薄片状の有機半導体単結晶１５ａを転写する工程と、を有する。
【選択図】図５

Description

本発明のいくつかの態様は、有機電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。

近年、有機半導体材料を用いた活性層（以下、有機半導体層という。）を備えた有機半導体素子に関する研究が盛んに行なわれている。このような有機半導体素子に用いられる半導体材料は、低環境負荷、低生産性コスト、簡便な製造プロセス及び機械的柔軟性などの特徴を有している。したがって、このような有機半導体素子は、シリコン等の無機半導体材料を用いた活性層（以下、無機半導体層という。）を備えた従来の無機半導体素子と比較して、低温プロセスによる製造が可能であること、大面積素子の大量生産が可能であること、フレキシブルな半導体素子を製造することができること等の特徴を有する。

しかしながら、現状では、有機半導体素子の性能は無機半導体素子に及ばず、ディスプレイにおいて画像表示素子としての利用などに応用が限定されると考えられている。有機半導体内をより高速でキャリアが移動できる高移動度の素子や、少ない入力で高い応答性を実現することによって、論理回路素子応用などの幅広い応用に道を拓くことが望まれている。

高移動度化を企図して、従来の有機半導体多結晶ではなく、有機半導体単結晶を活性層として利用する有機電界効果トランジスタの製造方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００５−２６８７１５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法では、独立に成長させた単結晶を取り出して一つずつデバイス用基板に貼り付けるため、大面積化や効率的な生産ができないといった欠点があった。デバイス用基板上に有機半導体単結晶を直接成長させる方法も考えられるが、成長プロセスにおいて結晶に欠陥が多く含まれてしまうため、結晶本来の移動度より一桁程度小さい値しか得られないという不利益がある。

本発明のいくつかの態様は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、大面積化や効率的な生産が可能な高移動度の有機電界効果トランジスタの製造方法を提供することにある。

本発明に係る有機電界効果トランジスタの製造方法のいくつかの態様は、基台上に複数の薄片状の有機半導体単結晶を成長させる工程と、複数のトランジスタ用のゲート絶縁膜及び電極を備えるデバイス用基板に、複数の薄片状の前記有機半導体単結晶を転写する工程と、を有する。

上記構成によれば、デバイス用基板とは別の基台上に複数の薄片状の有機半導体結晶を成長させ、当該有機半導体単結晶をデバイス用基板に転写させることにより、一つずつ有機半導体単結晶を貼り付ける方法に比べて、トランジスタの生産性が向上する。また、デバイス用基板が大面積の場合であっても、生産性良く電界効果トランジスタが作製される。

転写の一形態としては、前記複数の薄片状の前記有機半導体単結晶を転写する工程において、前記基台を前記デバイス用基板に押付けて、前記基台から前記デバイス用基板へと前記有機半導体単結晶を転写する方法が挙げられる。これにより、１回の転写工程により基台からデバイス用基板へと転写される。

この場合に、例えば、前記有機半導体単結晶を転写する工程の後に、前記有機半導体単結晶をパターニングする工程をさらに有していてもよい。このように、有機半導体単結晶をトランジスタ毎に分離してもよい。

あるいは、前記有機半導体単結晶を転写する工程の前に、前記基台上の前記有機半導体単結晶をパターニングする工程をさらに有する。このとき、前記有機半導体結晶をパターニングする工程の前に、押付盤を前記基台上の薄片状の有機半導体単結晶に押付ける工程をさらに有することが好ましい。基台への有機半導体単結晶の密着性が良好となり、有機半導体単結晶のパターニングが容易となるからである。

転写の他の形態としては、例えば、押付盤を前記基台上の有機半導体単結晶に押付けて、前記有機半導体単結晶を前記基台から前記押付盤へ転写する工程をさらに有し、前記デバイス用基板に前記有機半導体単結晶を転写する工程において、前記押付盤を前記デバイス用基板に押付けて、前記有機半導体単結晶を前記押付盤から前記デバイス用基板へと転写する方法が挙げられる。これにより、２回の転写工程を経て、基台から最終的なデバイス用基板へと転写される。

この場合に、前記有機半導体単結晶を前記基台から前記押付盤へ転写する工程の後に、前記押圧盤上の前記有機半導体単結晶をパターニングする工程をさらに有していてもよい。押付盤に有機半導体単結晶を押付けることにより、押付盤への有機半導体単結晶の密着性が向上する。この結果、有機半導体単結晶のパターニングが容易となる。

本発明に係る有機電界効果トランジスタのいくつかの態様は、デバイス用基板と、前記デバイス用基板に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上において所定距離だけ離間して形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極、前記ドレイン電極及び前記ゲート絶縁膜上に形成された、グレインサイズが１００μｍ以上の有機半導体単結晶を含む有機半導体層と、を有する。

上記構成によれば、グレインサイズが１００μｍ以上の有機半導体単結晶を含むことから、高移動度の複数の有機電界効果トランジスタを容易に形成することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る有機電界効果トランジスタの断面図である。
有機電界効果トランジスタ１は、第１基板１０と、第１基板１０上に形成されたゲート電極１１と、ゲート電極１１上に形成されたゲート絶縁膜１２と、ゲート絶縁膜１２上において所定間隔だけ離間して形成されたソース電極１３およびドレイン電極１４と、ゲート絶縁膜１２、ソース電極１３及びドレイン電極１４上に形成された有機半導体層１５とを有する。

第１基板１０を構成する材料としては、特に限定されないが、樹脂シート、ガラス、セラミック、金属、合金などを適宜用いることができる。

上記の第１基板１０にゲート電極１１が形成されている。本実施形態では、例えば、ゲート電極１１は、図示しないシリコンウェハに不純物を導入することにより形成された導電性領域からなる。

ゲート絶縁膜１２は、例えばポリスチレン、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリウレタン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などのポリマー；酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛などの酸化物；ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃などの強誘電性酸化物；窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの窒化物などを用いることができる。

ソース電極１３およびドレイン電極１４は、例えば、金、白金、銅、チタン、クロム、ニッケル、コバルトなどの金属膜からなる。

有機半導体層１５は、好ましくは、有機分子が周期的に配列した有機半導体単結晶、またはキャリア移動度が少なくとも１ｃｍ²／Ｖｓ以上と高い有機半導体材料からなることが好ましい。このような化合物としては、（１）ペンタセン、テトラセン、アントラセン、などオリゴアセン分子、（２）ルブレン、テトラメチルペンタセン、テトラクロロペンタセン、ジフェニルペンタセンなどのオリゴアセン誘導体分子、（３）セクシチオフェンなどオリゴチオフェン分子及びその誘導体分子、（４）ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）及びその誘導体分子、（５）ＴＴＦ（１，４，５，８−テトラチアフルバレン）及びその誘導体分子、（６）ペリレン及びその誘導体分子、（７）ピレン及びその誘導体分子、（８）Ｃ６０などフラーレン分子及びその誘導体分子、（９）フタロシアニン及び銅フタロシアニンなどのメタルフタロシアニン分子及びその誘導体分子、（１０）ポルフィリン及び亜鉛ポルフィリンや鉄ポルフィリンなどのメタルポルフィリン分子及びその誘導体分子、（１１）ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ビスエチレンジチオテトラチオフルバレン）及びその誘導体分子などが挙げられ、特にルブレン、ペンタセンが好ましい。

次に、上記の本実施形態に係る有機電界効果トランジスタの製造方法の一例について、図２〜図９を参照して説明する。

まず、有機半導体層１５の形成方法について説明する。例えば、ルブレン、ペンタセン、テトラセンなどの昇華性有機化合物の単結晶は、フィジカルベーパートランスポートと呼ばれる手法で作製することができる。

図２は、フィジカルベーパートランスポート法を説明するための図である。この方法は、まず、図２に示すように、管状電気炉１００の上流側に例えばルブレンからなる粉末状の有機半導体原料１０１を載置し、下流側に基台（第２基板）２０を載置する。そして、管状電気炉１００の上流側がより高温となるように温度を調整し、上流側からアルゴン等の不活性ガスを流すことにより、有機半導体原料１０１を昇華させて下流の低温部で結晶化させる。さらに、得られた結晶を再度上流部に載置し、結晶化を数回（例えば３回）繰り返す。単結晶の成長の制御は、アルゴンガスフローや温度勾配を調整することにより行なわれる。

これにより、図３に示すように、第２基板２０上に、グレインサイズが１００μｍ以上の純度の高い有機半導体単結晶１５ａを得ることができる。例えば、表面が平坦で正常なルブレン単結晶（典型的な大きさは５００μｍ角程度、厚みが５μｍ以下）が得られる。

一方、図４に示すように、例えば導電性シリコンウェハからなる第１基板１０に不純物を導入してゲート電極１１とし、当該導電性シリコンウェハの表面を酸化処理することにより酸化シリコンからなる５００ｎｍ程度のゲート絶縁膜１２を形成する。続いて、ゲート絶縁膜１２上に、金を１０ｎｍ程度の厚さで真空蒸着し、リソグラフィおよびエッチングによりパターニングして、ソース電極１３およびドレイン電極１４を形成する。ソース電極１３およびドレイン電極１４間の距離は、例えば５μｍ程度とする。このようにして、一枚の第１基板１０上に、複数のトランジスタ用のゲート電極１１、ソース電極１３及びドレイン電極１４が形成される。

次に、図５に示すように、第１基板１０のゲート絶縁膜１２側に、有機半導体単結晶１５ａが形成された第２基板２０を押付ける。続いて、図６に示すように、第１基板１０から第２基板２０を引き離すことにより、第２基板２０から第１基板１０へと転写された有機半導体単結晶１５ｂが得られる。この転写後の有機半導体単結晶１５ｂは、第１基板１０上に密着したものとなる。また、転写時の押圧により、有機半導体単結晶１５ｂ間の隙間が小さくなる。

ただし、図７に示すように、有機半導体単結晶１５ｂ間に隙間が存在していてもよい。これは、有機半導体単結晶１５ｂ間に隙間が存在していても、少なくともソース電極１３及びドレイン電極１４間に有機半導体単結晶１５ｂが存在していれば、トランジスタとして有効に機能するからである。

その後、必要に応じて、図８に示すように、有機半導体単結晶１５ｂの不要な部分を除去することにより、トランジスタ毎に分離した有機半導体単結晶１５ｃを形成する。

上記の図８に示すパターニング工程では、例えば、図９に示すように、有機半導体単結晶１５ｂの不要な部分にレーザ等の放射エネルギー線１０２を照射することにより、有機半導体単結晶のパターニングを行なうことができる。

以上のようにして、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１が作製される。

以上説明したように、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１の製造方法によれば、第１基板１０とは別の第２基板２０上に複数の薄片状の有機半導体単結晶１５ａを成長させ、当該有機半導体単結晶１５ａを第１基板１０に転写させることにより、一つずつ有機半導体単結晶を貼り付ける方法に比べて、トランジスタの生産性を向上させることができる。また、第１基板１０が大面積の場合であっても、生産性良く電界効果トランジスタを作製することができる。さらに、デバイス用基板とは異なる平滑な第２基板２０上に独立して有機半導体単結晶１５ａを形成することにより、良質かつ大きな単結晶を形成することができる。このように、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１の製造方法によれば、大面積化や効率的な生産が可能な高移動度の有機電界効果トランジスタを製造することができる。

上記のようにして形成された本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１の有機半導体層１５中の有機半導体単結晶のグレインサイズは、１００μｍ以上あるという特徴をもつ。従来の方法により作製される有機半導体多結晶のグレインサイズは数μｍ程度以下であることから、有機半導体多結晶に比べて、極めて大きいグレインサイズをもつ。この結果、本実施形態によれば、多結晶のものに比べて、極めて高い移動度をもつ複数の有機電界効果トランジスタ素子を容易に形成することができる。

（第２実施形態）
本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１の製造方法は、第２基板２０上において有機半導体単結晶をパターニングした後に、当該有機半導体単結晶１５ｃを第１基板１０上に転写するものである。

図１０〜図１４は、本実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１の製造方法を説明するための工程断面図である。

まず、第１実施形態と同様の方法により、第２基板２０上に薄片状の有機半導体単結晶１５ａを成長させる。そして、図１０に示すように、第２基板２０の有機半導体単結晶１５ａ側に、第３基板３０を押付ける。これにより、図１１に示すように、第２基板２０から第３基板３０を引き離した後には、第２基板２０への密着性が向上した有機半導体単結晶１５ｂが得られる。また、有機半導体単結晶１５ａに比べて、有機半導体単結晶１５ｂ間の隙間を小さくすることができる。

次に、図１２に示すように、第２基板２０上の有機半導体単結晶１５ｂの不要な部分を除去して、有機半導体単結晶１５ｂをパターニングする。これにより、トランジスタ毎に分離した有機半導体単結晶１５ｃが得られる。先の第３基板３０の押圧工程により、第２基板２０に有機半導体単結晶１５ｂが密着していることから、容易に有機半導体単結晶１５ｂをパターニングすることができる。なお、成長直後の有機半導体単結晶１５ａが十分に密着しており、パターニングに不都合がなければ、図１０および図１１に示す工程は不要である。

次に、図１３に示すように、第１基板１０のゲート絶縁膜１２側に、パターニング後の有機半導体単結晶１５ｃが形成された第２基板２０を押付ける。なお、当該工程においては、各有機半導体単結晶１５ｃが、ソース電極１３及びドレイン電極１４間の領域に配置されるように、第１基板１０に対して第２基板２０を位置合わせする必要がある。

続いて、図１４に示すように、第１基板１０から第２基板２０を引き離すことにより、第２基板２０から第１基板１０へと有機半導体単結晶１５ｃは転写される。これにより、ソース電極１３およびドレイン電極１４の間の領域上に、有機半導体単結晶１５ｃが転写される。

以上説明したように、第２実施形態のように、第２基板２０上において有機半導体単結晶１５ａをパターニングした後に、パターニングされた有機半導体単結晶１５ｂを第１基板１０へ転写することによって、第１実施形態と同様に、大面積化や効率的な生産が可能な高移動度の有機電界効果トランジスタを製造することができる。

特に、成長直後の有機半導体単結晶１５ａの第２基板２０への密着性が乏しい場合には、第３基板３０を用いて有機半導体単結晶１５ａを第２基板２０へ密着させることにより、パターニングの際の不都合を回避することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、第２基板２０に形成された有機半導体単結晶を第３基板３０に転写した後に、第１基板１０へ転写するものである。

図１５〜図１９は、第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタ１の製造方法を説明するための工程断面図である。

まず、第１実施形態と同様の方法により、第２基板２０上に薄片状の有機半導体単結晶１５ａを成長させる。そして、図１５に示すように、第２基板２０の有機半導体単結晶１５ａ側に、第３基板３０を押付ける。図１６に示すように、第２基板２０から第３基板３０を引き離した後には、有機半導体単結晶１５ｂは第３基板３０へ転写される。

次に、図１７に示すように、第３基板３０上の有機半導体単結晶１５ｂの不要な部分を除去して、有機半導体単結晶１５ｂをパターニングする。これにより、トランジスタ毎に分離した有機半導体単結晶１５ｃが得られる。第３基板３０に有機半導体単結晶１５ｂが密着していることから、容易に有機半導体単結晶１５ｂをパターニングすることができる。

次に、図１８に示すように、第１実施形態と同様の方法により作製された第１基板１０のゲート絶縁膜１２側に、有機半導体単結晶１５ｃが形成された第３基板３０を押付ける。なお、当該工程においては、各有機半導体単結晶１５ｃが、ソース電極１３及びドレイン電極１４間の領域に配置されるように、第１基板１０に対して第３基板３０を位置合わせする必要がある。

続いて、図１９に示すように、第１基板１０から第３基板３０を引き離すことにより、第３基板３０から第１基板１０へと有機半導体単結晶１５ｃは転写される。これにより、ソース電極１３およびドレイン電極１４の間の領域上に、有機半導体単結晶１５ｃが転写される。

以上説明したように、第３実施形態のように、第２基板２０に形成された有機半導体単結晶を第３基板３０に転写した後に、第１基板１０へ転写することによって、第１実施形態と同様に、大面積化や効率的な生産が可能な高移動度の有機電界効果トランジスタを製造することができる。

なお、第３実施形態と第２実施形態との違いは、有機半導体単結晶１５ａが形成された第２基板２０上に第３基板３０を押付けた際に、有機半導体単結晶１５ａがいずれの基板に残るかに起因する。これは、有機半導体単結晶１５ａと基板材料との相性に起因するが、剥離層等を設けて転写される側の基板を選択することもできる。いずれにしても、第２実施形態又は第３実施形態に係る方法を採用することにより、有機電界効果トランジスタを製造することができる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

第１実施形態に係る有機電界効果トランジスタの概略断面図である。 第１実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。 第１実施形態に係る有機電界トランジスタを形成している状態を示す図である。 第１実施形態に係る有機電界トランジスタを形成している状態を示す図である。 第１実施形態に係る有機電界トランジスタを形成している状態を示す図である。 第１実施形態に係る有機電界トランジスタを形成している状態を示す図である。 第１実施形態に係る有機電界効果トランジスタのホール効果測定の結果を示す図である。 第１実施形態に係る有機電界トランジスタを形成している状態を示す図である。 第１実施形態に係る有機電界トランジスタを形成している状態を示す図である。 第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。 第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。 第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。 第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。 第２実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。 第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。 第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。 第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。 第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。 第３実施形態に係る有機電界効果トランジスタを形成している状態を示す図である。

符号の説明

１…有機電界効果トランジスタ、１０…第１基板（デバイス用基板）、１１…ゲート電極、１２…ゲート絶縁膜、１３…ソース電極、１４…ドレイン電極、１５…有機半導体層、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…有機半導体単結晶、２０…第２基板（基台）、３０…第３基板（押付盤）

Claims (8)

1. 基台上に複数の薄片状の有機半導体単結晶を成長させる工程と、
   複数のトランジスタ用のゲート絶縁膜及び電極を備えるデバイス用基板に、複数の薄片状の前記有機半導体単結晶を転写する工程と、
   を有する有機電界効果トランジスタの製造方法。
2. 前記複数の薄片状の前記有機半導体単結晶を転写する工程において、前記基台を前記デバイス用基板に押付けて、前記基台から前記デバイス用基板へと前記有機半導体単結晶を転写する、
   請求項１記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
3. 前記有機半導体単結晶を転写する工程の後に、前記有機半導体単結晶をパターニングする工程をさらに有する、
   請求項２記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
4. 前記有機半導体単結晶を転写する工程の前に、前記基台上の前記有機半導体単結晶をパターニングする工程をさらに有する、
   請求項２記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
5. 前記有機半導体結晶をパターニングする工程の前に、押付盤を前記基台上の薄片状の有機半導体単結晶に押付ける工程をさらに有する、
   請求項４記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
6. 押付盤を前記基台上の有機半導体単結晶に押付けて、前記有機半導体単結晶を前記基台から前記押付盤へ転写する工程をさらに有し、
   前記デバイス用基板に前記有機半導体単結晶を転写する工程において、前記押付盤を前記デバイス用基板に押付けて、前記有機半導体単結晶を前記押付盤から前記デバイス用基板へと転写する、
   請求項１記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
7. 前記有機半導体単結晶を前記基台から前記押付盤へ転写する工程の後に、前記押圧盤上の前記有機半導体単結晶をパターニングする工程をさらに有する、
   請求項６記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
8. デバイス用基板と、
   前記デバイス用基板に形成されたゲート電極と、
   前記ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上において所定距離だけ離間して形成されたソース電極及びドレイン電極と、
   前記ソース電極、前記ドレイン電極及び前記ゲート絶縁膜上に形成された、グレインサイズが１００μｍ以上の有機半導体単結晶を含む有機半導体層と、
   を有する有機電界効果トランジスタ。

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