JP2009246342A - 電界効果型トランジスタ及びその製造方法並びに画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電界効果型トランジスタにおいて、表面平滑性及び低表面エネルギーを有するゲート絶縁層を用いて作製された電界効果型トランジスタに十分高いチャージキャリア伝導性能を与える電界効果型トランジスタ及びその製造方法並びに画像表示装置を提供すること。
【解決手段】基板と、基板上に形成されたゲート電極と、ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に形成された有機半導体、ソース電極及びドレイン電極と、を備え、ゲート絶縁層は、二層以上の積層体であり、かつ前記有機半導体と接するゲート絶縁層表面との算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳが０．３ｎｍ未満であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界効果型トランジスタ及びその製造方法並びに画像表示装置に関し、詳細には、有機半導体を用いた電界効果型トランジスタのゲート絶縁層を二層以上積層した電界効果型トランジスタ及びその製造方法並びに画像表示装置に関する。

近年、一般に普及している液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ及び電気泳動型ディスプレイ等の表示装置の多くは薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」という場合がある。）を表示スイッチングデバイスとしたアクティブマトリックス型の駆動装置を利用している。このような表示スイッチとしてのトランジスタには、ゲート電極、ゲート絶縁層、ソース電極−ドレイン電極、ソース電極−ドレイン電極間に配置された半導体からなる電界効果型トランジスタ（以下、「ＦＥＴ」という。）が利用されている。ＦＥＴの駆動原理は、ゲート電極に電圧を印加することにより半導体中の電子またはホールからなるチャージキャリア量をコントロールし、ソース電極−ドレイン電極間のチャージ移動、すなわち電流を制御するもので、このような作用によりスイッチの役割を果たしている。

ＴＦＴアレイの半導体には、従来、アモルファスもしくは多結晶の薄膜シリコンを半導体として利用したものが使われている。一般的に、薄膜シリコンＴＦＴの電極や半導体、絶縁層等の各層は真空プロセス及び３００℃以上の高温プロセスが必要で、更にパターニングにはフォトリソグラフィ法を用いるなど、比較的煩雑で高コストなプロセスにより形成されている。

これに対して近年では、電極材料には溶液分散型ナノ金属粒子、半導体には有機半導体、絶縁材料には有機高分子等の溶媒に可溶または分散可能な材料を用いることが提案されている。有機物を用いた材料の形成方法として、インクジェット、スピンコートやフレキソ印刷等の塗布方式を用いた方法が数多く報告されるようになってきており、これによりプロセスの低温化、高速化、低コスト化が実現可能となってきている。

一般に有機ＦＥＴと呼ばれている半導体に有機半導体を用いたＦＥＴの多くは、ゲート絶縁膜としてシリコンを熱酸化した酸化ケイ素を用いている例が報告されているが、この酸化ケイ素膜はそのままでは有機半導体のチャージキャリア伝導の性能を十分に引き出すことができず、たいていの場合、酸化ケイ素膜表面をヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）（非特許文献１参照）やオクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）（非特許文献２参照）等による処理によって撥水性にしてから用いられている。この表面処理により、酸化ケイ素膜表面のヒドロキシル基をクエンチしてチャージキャリア伝導のトラップとならないようにする効果、また、ゲート絶縁膜の表面エネルギーが下がったことにより半導体の結晶成長に影響し、半導体の結晶性が向上する効果等が得られ、比較的高いチャージキャリア移動度が得られる。ただし、これらＨＭＤＳやＯＴＳを用いた表面処理には注意が必要で、ゲート絶縁膜表面で凝集したりポリマー化したりしてしまうとゲート絶縁膜表面に微粒子が堆積し、表面粗さを大きくする。その結果、ゲート絶縁膜−半導体界面において半導体の結晶生成を不可能にしたり、表面凹凸によりチャージキャリア伝導を悪化させたりしてしまうので（非特許文献３参照）、平滑なゲート絶縁膜表面を得るために、通常ＨＭＤＳやＯＴＳは真空プロセスで作製され、比較的良好なチャージキャリア移動度が得られるゲート絶縁膜表面の算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳは０．１ｎｍ−０．３ｎｍである。またその時の純水の接触角は１００度前後であり、表面エネルギーは十分に低くなっている。

以上はゲート絶縁膜としてシリコンを熱酸化した酸化ケイ素を用いた例であるが、塗布プロセスでゲート絶縁膜を形成した例も近年数多く報告されており、例えば、ポリイミドを使用した例（非特許文献４及び非特許文献５参照）や、熱硬化型ポリビニルフェノールを使用した例（非特許文献６及び非特許文献７参照）等が挙げられる。しかしながらこれらのゲート絶縁膜表面の算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳは通常０．３ｎｍ−２．０ｎｍ程度と大きく、酸化ケイ素のように多くのヒドロキシル基を表面に持たないことから、ＨＭＤＳやＯＴＳによる表面処理で平滑な表面を提供することはできなかった。その結果、以上のような塗布プロセスで得られたゲート絶縁膜を用いて作製した有機ＦＥＴは、その半導体のチャージキャリア伝導性能を十分に引き出せていない。また、非特許文献８に開示されているように、真空でＰＥＣＶＤ法により成膜されたゲート絶縁膜でも二乗平均粗さＲＭＳが０．３５ｎｍと十分な平滑性が得られていないことから、これを用いて作製されたペンタセンを半導体とするＦＥＴも十分なモビリティを得られていない。

Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １２７， １１５４２ （２００５） Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ８１， ２６８ （２００２） Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ８５， ４４００ （２００４） Ｃｈｅｍ． Ｍａｔｅｒ． ９， １２９９（１９９７） Ｍａｔｅｒ． Ｒｅｓ． Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ． Ｐｒｏｃ．２６５ （２００３） Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ９２， ９， ５２５９（２００２） Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １２７， １０３８８ （２００５） Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ９３， １， ３４７（２００３）

本発明は、電界効果型トランジスタにおいて、表面平滑性及び低表面エネルギーを有するゲート絶縁層を用いて作製された電界効果型トランジスタに十分高いチャージキャリア伝導性能を与える電界効果型トランジスタ及びその製造方法並びに画像表示装置を提供することである。

本発明の請求項１に係る発明は、基板と、基板上に形成されたゲート電極と、ゲート電極上に形成されたゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上に形成された有機半導体、ソース電極及びドレイン電極と、を備え、ゲート絶縁層は、二層以上の積層体であり、かつ有機半導体と接するゲート絶縁層表面の算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳが０．３ｎｍ未満であることを特徴とする電界効果型トランジスタとしたものである。

本発明の請求項２に係る発明は、ゲート絶縁層は、有機半導体と接する層が自己組織化単分子膜であることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタとしたものである。

本発明の請求項３に係る発明は、ゲート絶縁層を構成する一層は、有機高分子化合物を含む材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界効果型トランジスタとしたものである。

本発明の請求項４に係る発明は、ゲート絶縁層を構成する一層は、無機酸化物を含む材料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電界効果型トランジスタとしたものである。

本発明の請求項５に係る発明は、有機半導体と接するゲート絶縁層表面の純水との接触角が９５度以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電界効果型トランジスタとしたものである。

本発明の請求項６に係る発明は、基板を準備し、基板上にゲート電極を形成し、ゲート電極上に二層以上の積層体であり、表面の処理を行うことにより算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳが０．３ｎｍ未満であるゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上に有機半導体、ソース電極及びドレイン電極を形成することを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法としたものである。

本発明の請求項７に係る発明は、ゲート絶縁層は、有機半導体と接する層が自己組織化単分子膜であることを特徴とする請求項６に記載の電界効果型トランジスタの製造方法としたものである。

本発明の請求項８に係る発明は、自己組織化単分子膜は、自己組織化単分子膜の形成材料を分散させた乾燥溶媒中に浸漬させて形成することを特徴とする請求項７に記載の電界効果型トランジスタの製造方法としたものである。

本発明の請求項９に係る発明は、乾燥溶媒が、クロロホルム，トリクロロエチレン，アニソール，ジエチルエーテル，ヘキサン，トルエンのうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項８に記載の電界効果型トランジスタの製造方法としたものである。

本発明の請求項１０に係る発明は、ゲート絶縁層を構成する一層は、有機高分子化合物を含む材料であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の電界効果型トランジスタの製造方法としたものである。

本発明の請求項１１に係る発明は、ゲート絶縁層を構成する一層は、無機酸化物を含む材料であることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載の電界効果型トランジスタの製造方法としたものである。

本発明の請求項１２に係る発明は、有機半導体と接するゲート絶縁層表面の純水との接触角が９５度以上であることを特徴とする請求項６乃至１１のいずれかに記載の電界効果型トランジスタの製造方法としたものである。

本発明の請求項１３に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の電界効果型トランジスタを用いた画像表示装置としたものである。

本発明の請求項１４に係る発明は、画像表示装置は、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置及び電子ペーパのいずれかであることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置としたものである。

本発明によれば、電界効果型トランジスタにおいて、表面平滑性及び低表面エネルギーを有するゲート絶縁層を用いて作製された電界効果型トランジスタに十分高いチャージキャリア伝導性能を与える電界効果型トランジスタ及びその製造方法並びに画像表示装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電界効果型トランジスタを示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る電界効果型トランジスタを示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係るゲート絶縁層を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係るゲート絶縁層を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面参照しつつ説明する。実施の形態において、同一構成要素には同一符号を付け、重複する説明は省略する。

図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態に係る電界効果型トランジスタは、基板１０、ゲート電極２０、ゲート絶縁層３０、ソース電極４０、ドレイン電極５０及び有機半導体６０を備えている。本発明の実施の形態に係る電界効果型トランジスタの構造は、図１に示すようにボトムゲート・ボトムコンタクト型７０及び図２に示すようにボトムゲート・トップコンタクト型８０である。

図１に示すように、ボトムゲート・ボトムコンタクト型７０の場合は、ソース電極４０及びドレイン電極５０を形成した後に有機半導体６０を形成することができる。図２に示すように、ボトムゲート・トップコンタクト型８０の場合は有機半導体６０を形成した後に、ソース電極４０及びドレイン電極５０を形成することができる。本発明の実施の形態に係る電界効果型トランジスタの構造は、ボトムゲート型に限定されるわけではなく、例えば、トップゲート型であってもよく、ゲート絶縁層３０と有機半導体６０との表面が接していればよい。

本発明の実施の形態に係る基板１０は、表面に絶縁性がありシート状で、表面が平坦であれば何でも用いることができる。例えば、基板１０の材料としてはソーダライムガラス、石英ガラス、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、シクロオレフィンポリマー、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）またはポリアリルレートなどを使用することができる。また、例えば、基板１０の材料としてはステンレスシート、アルミ箔、銅箔またはシリコンウェハ等の導電性あるいは半導体性の基材であっても用いることができる。例えば、基板１０としては、表面に絶縁性の高分子材料あるいは金属酸化物などを塗布または積層することにより用いることができる。更に、前述した基板１０には、表面に易接着層等の表面処理層を形成しても良いし、コロナ処理、プラズマ処理、ＵＶ／オゾン処理等の表面処理を施しても良い。

本発明の実施の形態に係るゲート電極２０、ソース電極４０及びドレイン電極５０の材料としては、例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、ＭｎまたはＡｇなどの金属をＰＶＤ法やＣＶＤ法またはめっき等の方法で製膜した後に、フォトリソグラフィなどの方法を用いて形成できる。また、ゲート電極２０、ソース電極４０及びドレイン電極５０の材料としては、例えばインジウム・錫酸化物（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）またはガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）等の透明導電性材料や、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ポリアニリンまたはポリチオフェン等の有機導電性材料等を用いることができる。しかし、これらの材料を用いた時に比較的高い配線抵抗を有する場合は金属バス電極を用いて抵抗の軽減を図ることがより好ましい。また、前述の金属、透明酸化物、有機導電性高分子等の導電性材料あるいはそれらの前駆体を、溶液、ペースト、ナノ粒子分散液等に加工した後、印刷法で塗工し、乾燥、焼成、光硬化あるいはエージング等によって形成することができる。印刷方法としては、特に限定されることはないが、凸版印刷、凹版印刷、平版印刷、反転オフセット印刷、スクリーン印刷、インクジェット、熱転写印刷、ディスペンサ等のパターニング可能な印刷方法を用いた方が工程の簡略化、低コスト化、高速化を達成でき、より好ましい。また、スピンコート法、ダイコート法、マイクログラビアコート法、ディップコート法等とフォトリソグラフィ法等とのパターニング手法を組み合わせても良い。さらに、前述の印刷法を組み合わせて用いても良い。

本発明の実施の形態に係るゲート絶縁層３０は、二層以上の積層体であり、表面の算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳが０．３ｎｍ未満であることを特徴とする。ゲート絶縁層３０の表面の算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳが０．３ｎｍ以上では、十分な表面平滑性及び十分低い表面エネルギーが得られず、有機半導体中のチャージキャリア伝導性能が低下してしまう。

本発明の実施の形態に係る有機半導体６０と接するゲート絶縁層３０表面の純水の接触角が９５度以上であること特徴とする。有機半導体６０と接するゲート絶縁層３０表面の純水の接触角が９５度未満では、有機半導体中のチャージキャリア伝導性能が低下してしまう。

図３及び図４に示すように、本発明の実施の形態に係るゲート絶縁層３０の詳細な断面構造である。図３は二層構造、図４は三層構造の例をそれぞれ示しており、いずれも最上層は自己組織化単分子膜３３である。ゲート絶縁層３０の最上層は図１及び図２に示したように、いずれの構造においても有機半導体６０と接する層である。

本発明の実施の形態に係るゲート絶縁層３０は、二層以上の積層体で、一層は有機高分子層３１、または無機酸化物層３２であることが好ましい。いずれの材料も単層での形成によって非常に高い平滑性を付与することが困難であるため、積層による平坦化を果たすのが本発明の特徴である。具体的には、表面の算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳが０．３ｎｍ未満であることを特徴とする。特にゲート絶縁層３０の最上層に自己組織化単分子膜３３を形成することで、自己組織化単分子膜３３が秩序的な整列を果たすため、表面の凹凸を低減することができ、更に表面エネルギーも低く、半導体性能を十分に引き出せる表面を得ることができる。

本発明の実施の形態に係るゲート絶縁層３０の一層を構成する有機高分子層３１の化合物としては、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、エポキシ樹脂、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはブタジエンゴム等を用いることができるが、十分な絶縁性を有し、１μｍ以下の薄膜を形成可能であればこれらに限定されるものではない。また、これらを混合しても良いし、アルコキシシラン基やビニル基、アクリル酸エステル、エポキシ基など反応性置換基を有する化合物と混合した後、塗工、硬化により形成しても良い。有機高分子層３１の化合物の形成方法としては、マイクログラビアコート、ディップコート、スクリーンコート、ダイコートまたはスピンコート等のウエットコーティング法を用いることができる。前述の有機高分子層３１は、コロナ処理、プラズマ処理、ＵＶ／オゾン処理等の表面処理を施しても良いが、処理による表面粗さが粗くならないように注意する必要がある。好ましくは、これらの有機高分子層３１表面の算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳは０．５ｎｍ以下であることが望ましい。また、有機高分子層３１が自己組織化単分子膜３３と接する場合、算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳは０．３ｎｍ未満が好ましい。

本発明の実施の形態に係るゲート絶縁層３０の一層を構成する無機酸化物層３２としては、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化銅、酸化ニッケル等の酸化物、また、ＳｒＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＭｇＴｉＯ_３、ＳｒＮｂ_２Ｏ_６のようなペロブスカイト、あるいはこれらの複合酸化物または酸化物混合物なども用いることができるが、十分な絶縁性を有し、１μｍ以下の薄膜を形成可能であればこれらに限定されるものではない。これら無機酸化物層３２の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティングまたはＣＶＤ法などの真空成膜法を用いることができ、また成膜中に任意のガスを用いたプラズマやイオン銃、ラジカル銃などでアシストを行ってもよい。また、それぞれの金属酸化物に対応する前駆体、具体的には塩化物、臭化物などの金属ハロゲン化物や金属アルコキシド、金属水酸化物等を、アルコールや水中で塩酸、硫酸、硝酸などの酸や水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの塩基と反応させて加水分解することにより形成してもよい。このような溶液系のプロセスを用いる場合、マイクログラビアコート、ディップコート、スクリーンコート、ダイコートまたはスピンコート等のウエットコーティング法を用いることができる。前述の無機酸化物層３２は、コロナ処理、プラズマ処理、ＵＶ／オゾン処理等の表面処理を施しても良いが、処理による表面粗さが粗くならないように注意する必要がある。好ましくは、これらの無機酸化物層３２表面の算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳは０．５ｎｍ以下であることが望ましい。また、無機酸化物層３２が自己組織化単分子膜３３と接する場合、算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳは０．３ｎｍ未満が好ましい。

本発明の実施の形態に係るゲート絶縁層３０の最上層に自己組織化単分子膜３３を形成する際には、自己組織化する化合物として、下記化学式１〜化学式３で表される化合物から選択された一種類以上の化合物を用いることができる。
（化学式１）Ｒ１−Ｘ
（化学式２）Ｒ１−Ｘ−Ｒ２
（化学式３）Ｒ１（Ｒ２）Ｘ−Ｒ３
式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、は独立してアルキル基、フェニル基、フェノキシ基、チオフェン環、ピロール環、ピリジン環、フルオレン環、エーテル、エチレン基、アセチレン基のいずれか一つを含む炭素数２以上の置換基である。また、式中、Ｘは独立して、（モノ、ジ、トリ）アルコキシシラン基、（モノ、ジ、トリ）クロロシラン基、ホスホン酸、ホスフィン酸、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、アミノ基、ハライド基、カルボン酸、ヒドロキシル基、チオール基、ジスルフィド基、アジ基、アセチレン基、ビニル基、ニトロ基、シアノ基のいずれか一つである。ここで、化学式３においては、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はそれぞれＸに結合している。

本発明の実施の形態に係る自己組織化単分子膜３３は上記化学式１〜化学式３で表される分子の一方に反応性置換基Ｘがあり、その置換基にＲ１〜Ｒ３のいずれか一つかそれらの組み合わせからなる主骨格が配置された化合物により形成できる。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の主骨格は、好ましくは分岐しておらず、例えば直鎖状のノルマルアルキル（ｎ−アルキル）基や、フェニル基が三個直列に配置されたｔｅｒ−フェニル基や、フェニル基のパラ位の両側にｎ−アルキル基が配置されたような構造が良い。また、アルキル鎖の中にエーテル結合を含めても良いし、炭素−炭素の二重結合や三重結合を含めても良い。自己組織化単分子膜３３は分子の一方の反応性置換基Ｘが、対応する基材表面の反応性部位と相互作用、あるいは反応し、結合を形成することにより、基材上に自己組織化単分子層３３を形成するものである。分子がより緻密に充填されることにより、自己組織化単分子膜３３の表面は、より平滑で表面エネルギーの低い表面を与えることから、分子の主骨格は直線状であり、分子長が揃っていることが望ましい。

自己組織化単分子膜３３を形成する化合物は、対応する基材表面に次のような反応により形成される。例えば、トリクロロシラン基を有するものは、シリコン基板表面のシラノール基と反応し、化学結合により吸着し（詳細は、Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １０２， ９２ （１９８０）を参照）、またホスホン酸、ホスフィン酸等はアルミナ基板上のヒドロキシル基と反応し、化学結合により吸着する（詳細は、Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ． Ｂ １０７， ５８７７ （２００３）を参照）ことが良く知られている。

本発明の実施の形態に係る自己組織化単分子膜３３は、自己組織化単分子層３３を形成する化合物を真空下で対応する基材に蒸着する方法、化合物の溶液中に基材を浸漬する方法、Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ法などを用いて形成することができるが、これに限るものではない。しかしながら、例えば、化合物がより緻密で確実に自己組織化単分子膜３３のみを得る方法として、Ｌａｎｇｍｕｉｒ １９， １１５９ （２００３）及びＪ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ． Ｂ １１０， ２１１０１ （２００６）等に記載の方法を用いることがより好ましい。

具体的には、自己組織化単分子膜３３を形成する材料を分散させた揮発性の高い乾燥溶媒中に基材を浸漬させて膜を形成し、基材を取り出し、必要に応じてアニールなどの自己組織化単分子材料と基材の反応工程を経た後、乾燥溶剤で洗い流してから、乾燥させて自己組織化単分子膜３３を得る。乾燥溶媒としては、クロロホルム，トリクロロエチレン，アニソール，ジエチルエーテル，ヘキサン，トルエン等を単独あるいは混合して用いることかできる。さらに乾燥雰囲気中又は乾燥気体の噴きつけによって膜を乾燥させることが好ましい。乾燥気体には窒素等の不活性気体を用いる。このような自己組織化単分子膜３３の製造方法を用いることにより、緻密で凝集や欠損のない自己組織化単分子膜３３が形成されることから、ゲート絶縁層３０の表面粗さを０．３ｎｍ以下に抑えることができる。

本発明に用いることのできるゲート絶縁層３０の材料は、以上に限定されるものではなく、例えば有機高分子マトリックス中に無機酸化物を混合させたハイブリッド材料、あるいはコンポジット材料を用いることもできるし、金属窒化物、あるいは金属酸窒化物なども用いることができ、膜厚、絶縁性、表面濡れ性、表面平滑性など必要な特性に応じて適宜選択する必要がある。

本発明の実施の形態に係る有機半導体６０としては、半導体性を示すπ共役有機高分子、例えば、ポリピロール類、ポリチオフェン類、ポリアニリン類、ポリアリルアミン類、フルオレン類、ポリカルバゾール類、ポリインドール類、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）類などや、π共役系を持つ低分子物質、例えば、ペンタセンなどの多環芳香族の誘導体、フタロシアニン誘導体、ペリレン誘導体、テトラチアフルバレン誘導体、テトラシアノキノジメタン誘導体、フラーレン類、カーボンナノチューブ類などを用いることができるが本発明はこれらに限定されるわけではない。

本発明の実施の形態に係る有機半導体６０は、真空蒸着法、溶液を用いた印刷法等を用いることができるが、生産性、低コスト化等の観点から溶媒に可溶な有機半導体６０を用いて塗工する方法を用いることがより好ましい。印刷法を用いる場合は、特に限定されることはないが、凸版印刷、凹版印刷、平版印刷、反転オフセット印刷、スクリーン印刷、インクジェット、熱転写印刷、ディスペンサ、スピンコート、ダイコート、マイクログラビアコート、ディップコート等を用いることができ、以上の印刷法を組み合わせて用いても良い。

本発明は、有機半導体６０を用いた電界効果型トランジスタにおいて、優れた表面平滑性及び低表面エネルギーを有する二層以上積層したゲート絶縁層３０を形成し、電界効果型トランジスタに優れたチャージキャリア伝導性能を与えることができる。

本発明の有機半導体６０を用いた電界効果型トランジスタは、アクティブマトリックス型であるＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、有機ＥＬ、電子ペーパ等の表示素子に用いることができる。特に、本発明の有機半導体６０を用いた電界効果型トランジスタは低温で印刷法、真空蒸着法などで形成できる有機半導体の特徴を生かしたフレキシブルディスプレイの表示素子に用いることができる。

以下、具体的な実施例によって本発明を詳細に説明するが、これらの実施例は説明を目的としたもので、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、電界効果型トランジスタのボトムゲート・ボトムコンタクト型７０を作製した。基板１０として１００μｍ厚のポリイミドを用い、ゲート電極２０として金を用いて、真空蒸着法により膜厚４０ｎｍに形成した。基板１０と金（ゲート電極２０）の密着性を向上させるため、金を真空蒸着法により形成する前にチタンを３ｎｍ程度形成している。金（ゲート電極２）は、レジストを用いたフォトリソグラフィ法及びエッチングにより所望の形状にした。

次に、ゲート電極２上にゲート絶縁層３０を形成した。図４に示すように、ゲート絶縁層３０は３層構造で形成した。まず、有機高分子層３１として、ＰＶＰをシクロヘキサノン溶液にしてスピンコートし、１８０℃で３０分焼成することにより膜厚３００ｎｍで形成した。次に、有機高分子層３１上に無機酸化物層３２として、酸化ケイ素膜とコルコート（株）製、商品名「コルコートＰ」とをスピンコートで塗布した後、１００℃で１分焼成することにより形成した。得られたフィルムの表面をＵＶ／オゾン処理によって親水化処理し、純水で洗い流し、乾燥窒素を吹き付けて表面を乾かした。次に、無機酸化物層３２上に自己組織化単分子膜３３としてＯＴＳを用いて、得られたフィルムをＯＴＳの乾燥ヘキサン溶液に浸漬し、乾燥雰囲気下、４８時間経過後、フィルムを取り出し、乾燥ヘキサンで洗い流し、乾燥窒素を吹き付けて乾かすことにより形成した。以上のように、有機高分子層３１、無機酸化物層３２及び自己組織化単分子膜３３の各層を積層することでゲート絶縁層３０を得た。得られたゲート絶縁層３０の表面をＡＦＭで観察したところ、算術平均粗さＲａは０．１７ｎｍ、二乗平均粗さＲＭＳは０．１９ｎｍであった。純水の接触角は１０５°であった。

得られたゲート絶縁層３０上にマスクをあて、ソース電極４０及びドレイン電極５０として金を用いて、真空蒸着法により膜厚４０ｎｍで形成して電極パターンとした。

次に、ゲート絶縁層３０上に有機半導体６０を形成した。有機半導体６０には、ペンタセンを用いて、真空蒸着法により膜厚３０ｎｍで形成することにより、電界効果型トランジスタのボトムゲート・ボトムコンタクト型７０を作製した。

以上より得られた電界効果型トランジスタのボトムゲート・ボトムコンタクト型７０のトランスファ特性を測定したところ、移動度は３．０ｃｍ^２／Ｖｓに達し、ｏｎ／ｏｆｆは１０^６、閾値電圧は−５Ｖであった。

図２に示すように、電界効果型トランジスタのボトムゲート・トップコンタクト型８０を作製した。基板１０として０．５ｍｍ厚の青板ガラスを用い、ゲート電極２０として銀を、銀微粒子分散溶液を用いた反転オフセット印刷によりゲート配線パターン状に形成した。その後、１８０℃、１時間で焼成することにより形成した。

次に、ゲート電極２０上にゲート絶縁層３０を形成した。図３に示すように、ゲート絶縁層３０は２層構造で形成した。まず、有機高分子層３１として、ＰＶＡを水溶液にしてスピンコートし、１００℃で３０分焼成することにより膜厚５００ｎｍで形成した。次に、得られたフィルムの表面をＵＶ／オゾン処理によって親水化処理し、純水で洗い流し、乾燥窒素を吹き付けて表面を乾かした。次に、有機高分子層３１上に自己組織化単分子膜３３としてＯＴＳを用いて、得られたフィルムをＯＴＳの乾燥ヘキサン溶液に浸漬し、乾燥雰囲気下、４８時間経過後、フィルムを取り出し、乾燥ヘキサンで洗い流し、乾燥窒素を吹き付けて乾かすことにより形成した。以上のように、有機高分子層３１及び自己組織化単分子膜３３の各層を積層することでゲート絶縁層３０を得た。得られたゲート絶縁層３０の表面をＡＦＭで観察したところ、算術平均粗さＲａは０．１９ｎｍ、二乗平均粗さＲＭＳは０．２０ｎｍであった。純水の接触角は１０３°であった。

得られたゲート絶縁層３０上に有機半導体６０を形成した。有機半導体６０にはペンタセンを用いて、真空蒸着法により膜厚３０ｎｍで形成した。次に、有機半導体６０上にマスクをあて、ソース電極４０及びドレイン電極５０として金を用いて、真空蒸着法により膜厚４０ｎｍで形成して電極パターンとした。以上の工程により、電界効果型トランジスタのボトムゲート・トップコンタクト型８０を作製した。

以上より得られた電界効果型トランジスタのボトムゲート・トップコンタクト型８０のトランスファ特性を測定したところ、移動度は３．１ｃｍ^２／Ｖｓに達し、ｏｎ／ｏｆｆは１０^５、閾値電圧は−２Ｖであった。

図１に示すように、電界効果型トランジスタのボトムゲート・ボトムコンタクト型７０を作製した。基板１０として１００μｍ厚のポリイミドを用い、ゲート電極２０として金を用いて、真空蒸着法により膜厚４０ｎｍに形成した。基板１０と金（ゲート電極２０）の密着性を向上させるため、金を真空蒸着法により形成する前にチタンを３ｎｍ程度形成している。金（ゲート電極２０）は、レジストを用いたフォトリソグラフィ法及びエッチングにより所望の形状にした

次に、ゲート電極２０上にゲート絶縁層３０を形成した。図４に示すように、ゲート絶縁層３０は３層構造で形成した。まず、有機高分子層３１として、ＰＶＰをシクロヘキサノン溶液にしてスピンコートし、１８０℃で３０分焼成することにより膜厚３００ｎｍで形成した。次に、有機高分子層３１上に無機酸化物層３２として、酸化アルミニウム膜を用いて、アルミニウムをターゲットとして真空中に酸素を導入した反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング法により膜厚６０ｎｍで形成した。得られたフィルムの表面をＵＶ／オゾン処理によって親水化処理し、純水で洗い流し、乾燥窒素を吹き付けて表面を乾かした。次に、無機酸化物層３２上に自己組織化単分子膜３３としてオクタデシルホスホン酸（ＯＰＡ）を用いて、得られたフィルムをＯＰＡの乾燥クロロホルム溶液に浸漬し、１分経過後、フィルムを取り出し、１５０℃で１５分加熱した後，トルエンで洗い流し、乾燥窒素を吹き付けて乾すことにより形成した。以上のように、有機高分子層３１、無機酸化物層３２及び自己組織化単分子膜３３の各層を積層することでゲート絶縁層３０を得た。得られたゲート絶縁層３０の表面をＡＦＭで観察したところ、算術平均粗さＲａは０．１８ｎｍ、二乗平均粗さＲＭＳは０．１９ｎｍであった。純水の接触角は１０６°であった。

得られたゲート絶縁層３０上にマスクをあて、ソース電極４０及びドレイン電極５０として金を用いて、真空蒸着法により膜厚４０ｎｍで形成して電極パターンとした。

次に、ゲート絶縁層３０上に有機半導体６０を形成した。有機半導体６０として、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）を用いて、ＴＨＦ溶液をスピンキャストし、１８０℃、１時間加熱することにより膜厚６０ｎｍで形成することにより、電界効果型トランジスタのボトムゲート・ボトムコンタクト型７０を作製した。

以上より得られた電界効果型トランジスタのボトムゲート・ボトムコンタクト型７０のトランスファ特性を測定したところ、移動度は２．６×１０^−１ｃｍ^２／Ｖｓに達し、ｏｎ／ｏｆｆは１０^６、閾値電圧は−１０Ｖであった。

［比較例１］
図１に示すように、電界効果型トランジスタのボトムゲート・ボトムコンタクト型７０を作製した。基板１０として１００μｍ厚のポリイミドを用い、ゲート電極２０として金を用いて、真空蒸着法により４０ｎｍ形成した。基板１０と金（ゲート電極２０）の密着性を向上させるために、金を真空蒸着法する前にチタンを３ｎｍ程度形成している。金（ゲート電極２０）は、レジストを用いたフォトリソグラフィ法及びエッチングにより所望の形状にした。

次に、ゲート電極２０上に絶縁層３０を形成した。図４に示すように、ゲート絶縁層３０は３層構造で形成した。まず、有機高分子層３１として、ＰＶＰをシクロヘキサノン溶液にしてスピンコートし、１８０℃で３０分焼成することにより膜厚３００ｎｍで形成した。次に、有機高分子層３１上に無機酸化物層３２として、酸化ケイ素膜とコルコート（株）製、商品名「コルコートＰ」とをスピンコートで塗布した後、１００℃で１分焼成することにより形成した。得られたフィルムの表面をＵＶ／オゾン処理によって親水化処理し、純水で洗い流し、乾燥窒素を吹き付けて表面を乾かした。次に、無機酸化物層３２上に自己組織化単分子膜３３としてＯＴＳを用いて、得られたフィルムを大気中でＯＴＳのヘキサン溶液に浸漬し、１２時間経過後、フィルムを取り出し、ヘキサンで洗い流し、乾燥窒素を吹き付けて乾かすことにより形成した。以上のように、有機高分子層３１、無機酸化物層３２及び自己組織化単分子膜３３の各層を積層することでゲート絶縁層３０を得た。得られたゲート絶縁層３０の表面をＡＦＭで観察したところ、所々にＯＴＳがポリマー化した球状の微粒子が存在し、算術平均粗さＲａは０．６８ｎｍ、二乗平均粗さＲＭＳは０．８３ｎｍであった。純水の接触角は９３°であった。

得られたゲート絶縁層３０上にマスクをあて、ソース電極４０及びドレイン電極５０として金を用いて、真空蒸着法により膜厚４０ｎｍで形成して、電極パターンとした。

次に、ゲート絶縁層３０上に有機半導体６０を形成した。有機半導体６０には、ペンタセンを用いて、真空蒸着法により膜厚３０ｎｍで形成することにより、電界効果型トランジスタのボトムゲート・ボトムコンタクト型７０を作製した。

以上より得られた電界効果型トランジスタのボトムゲート・ボトムコンタクト型７０トランスファ特性を測定したところ、移動度は０．４３ｃｍ^２／Ｖｓであり、ｏｎ／ｏｆｆは１０^５、閾値電圧は−５Ｖであった。

実施例と比較例とを対比すると、ゲート絶縁層３０表面の算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳが０．３ｎｍ未満である場合が、優れたチャージキャリア伝導性能を与えることができる。

本発明の電界効果型トランジスタは、アクティブマトリックス型のＬＣＤ、有機ＥＬ、電子ペーパ等の表示素子に適用できる。特に低温で印刷法、真空蒸着法などで形成可能な有機半導体の特徴を生かしたフレキシブルディスプレイの表示素子に適用できる。

１０…基板
２０…ゲート電極
３０…ゲート絶縁層
３１…有機高分子層
３２…無機酸化物層
３３…自己組織化単分子膜
４０…ソース電極
５０…ドレイン電極
６０…有機半導体
７０…ボトムゲート・ボトムコンタクト
８０…ボトムゲート・トップコンタクト

Claims (14)

1. 基板と、
   前記基板上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層と、
   前記ゲート絶縁層上に形成された有機半導体、ソース電極及びドレイン電極と、を備え、
   前記ゲート絶縁層は、二層以上の積層体であり、かつ前記有機半導体と接する前記ゲート絶縁層表面の算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳが０．３ｎｍ未満であることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
2. 前記ゲート絶縁層は、前記有機半導体と接する層が自己組織化単分子膜であることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
3. 前記ゲート絶縁層を構成する一層は、有機高分子化合物を含む材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界効果型トランジスタ。
4. 前記ゲート絶縁層を構成する一層は、無機酸化物を含む材料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電界効果型トランジスタ。
5. 前記有機半導体と接する前記ゲート絶縁層表面の純水との接触角が９５度以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。
6. 基板を準備し、
   前記基板上にゲート電極を形成し、
   前記ゲート電極上に二層以上の積層体であり、表面の処理を行うことにより算術平均粗さＲａまたは二乗平均粗さＲＭＳが０．３ｎｍ未満であるゲート絶縁層を形成し、
   前記ゲート絶縁層上に有機半導体、ソース電極及びドレイン電極を形成することを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。
7. 前記ゲート絶縁層は、前記有機半導体と接する層が自己組織化単分子膜であることを特徴とする請求項６に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
8. 前記自己組織化単分子膜は、自己組織化単分子膜の形成材料を分散させた乾燥溶媒中に浸漬させて形成することを特徴とする請求項７に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
9. 前記乾燥溶媒が、クロロホルム、トリクロロエチレン、アニソール、ジエチルエーテル、ヘキサン、トルエンのうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項８に記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
10. 前記ゲート絶縁層を構成する一層は、有機高分子化合物を含む材料であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
11. 前記ゲート絶縁層を構成する一層は、無機酸化物を含む材料であることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
12. 前記有機半導体と接する前記ゲート絶縁層表面の純水との接触角が９５度以上であることを特徴とする請求項６乃至１１のいずれかに記載の電界効果型トランジスタの製造方法。
13. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電界効果型トランジスタを用いた画像表示装置。
14. 前記画像表示装置は、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置及び電子ペーパのいずれかであることを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。