JP2010092971A

JP2010092971A - 電界効果トランジスタ

Info

Publication number: JP2010092971A
Application number: JP2008259644A
Authority: JP
Inventors: Shiro Seki; 志朗関; Shinpei Ono; 新平小野; Kazumoto Miwa; 一元三輪; Hajime Miyashiro; 一宮代; Tetsuo Matsumura; 哲夫松村
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2008-10-06
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2010-04-22

Abstract

【課題】電界効果トランジスタを低電圧で動作させると伴に、周波数応答性能およびキャリア移動度を高くすること。
【解決手段】電界効果トランジスタのゲート絶縁層として糊剤又は増粘剤を含まず液状であって、その主要成分がイオン液体であるものを用い、分子内に方向性を有するイオン液体（半導体層に正孔を注入する際は、陰イオン種、半導体層に電子を注入する際は、陽イオン種）を用いる。具体的には、半導体層に正孔を注入する際イオン液体（陰イオン種）としてＴＦＳＩやＦＳＩを用いる。半導体層には有機ルブレン単結晶を用いるが、オキシクロライドなど無機酸化物材料を用いることもできる。ドレイン電極とソース電極には金電極を用いるが金電極以外の電極を用いることもできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、低電圧で動作すると伴に、周波数応答が高く、高いキャリア移動度を有する電界効果トランジスタに関するものである。本発明のトランジスタは、ソース電極−ドレイン電極間を流れる電流を増幅する増幅素子やその電流をＯＮ−ＯＦＦするスイッチング素子に使用される。

銅酸化物高温超伝導体をはじめ層状遷移金属化合物は、キャリア量を制御する事により二次元電子系の多彩な物性を示し、基礎的な物性研究だけに留まらず、その新機能・新現象を利用した応用研究も盛んに行われている。一般に、層状遷移金属化合物のキャリア量を制御する手法としては、不純物置換による方法が最も多く用いられている。しかしながらこの方法では、結晶格子に乱れを入れてしまうため物質の構造や化学的安定性による制約が非常に大きいことや、キャリア量を精密に制御することが困難であるなど多くの問題を抱えていた。

その中で、最近になり電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）素子構造を用いて、半導体以外の化合物に静電的にキャリア注入を行うことで、高温超伝導体などの強相関電子系の相転移をコントロールする物性研究が盛んに行われて来ている。ＦＥＴ素子は、半導体層と、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極とゲート絶縁層を具有する。ＦＥＴによるキャリア注入は、化学組成を変化させずにキャリア量を変化させることが可能になり、物質がもつ本来の物性を研究するに適した方法である。また、キャリア量を連続的にコントロールすることが可能になるため、キャリア量による相転移などを詳細に調べる強力なツールになりうる。しかしながら、現時点の常誘電体にゲート電界を加えるという通常の方法では、絶縁破壊のために物性研究に充分なキャリア量変調を得るのが困難であったことや、さらに、高電圧を印加することで物質の表面にダメージを与えてしまうことなど技術的な壁は高かった。

そして、電解質として、ポリマーゲル（ポリエチレングリコール）にＬｉイオンを混ぜたポリマーゲル電解質を用いた研究が行われている。この場合、ポリマーゲルは糊剤又は増粘剤として作用する。そのため、ポリマーゲル電解質は、液状ではなくペースト状である。

ポリマーゲル電解質に電圧を加えるとイオンの移動が起こり、電極から厚さ１ｎｍ程度の部分に、正あるいは負のイオンが蓄積されて両電荷のバランスが破れた層（電気二重層）ができると言われている。この層に注目すると、電界は半導体表面の厚さ１ｎｍ程度の所に集中し、電極間にわずか１Ｖ程度の電圧を印加しただけでも、この層には１０ＭＶ／ｃｍの大きな電界が印加されることになる。従って、このポリマーゲル電解質をトランジスタのゲート絶縁層に用いると、低い電圧でも、より高い電界が印加される。その結果、ゲート絶縁層により多くのキャリアが注入される。そのため、そのようなトランジスタは、駆動電圧が低くとも、電流増幅率が高くなるである。

そのような中で、ポリマーゲルにＬｉイオンの代わりにイオン液体（例えば、1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate）を混ぜたポリマーゲル電解質 IIをゲート絶縁層に用いた有機電界効果トランジスタが提案された（非特許文献１参照）。

Jiyoul Lee et al, "Ion Gel Gated Polymer Thin-Film Transistors" J. Am. Chem. Soc. 129 (2007) 4532.

イオン液体は、陽イオン・陰イオンの構造、組み合わせが無限に考えられるため、所謂「デザイナーズ溶媒」などと呼ばれており、イオン液体の分子構造の変化により、融点・粘性・密度・解離性など各種物性が大きく変化する。しかしながら、電界効果トランジスタの性能向上の見地から考えた場合には、イオン液体のどの分子構造が、キャリア移動度の大きさの鍵となる因子になるのか明らかになっていなかった。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、イオン液体を用いた電界効果トランジスタにおいてイオン液体の分子構造に着目して高いキャリア移動度を実現することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の一つの態様では、ゲート絶縁層が、液状であって、その主要成分がイオン液体であることを特徴とした電界効果トランジスタにおいて、該イオン液体が分子内方向性すなわち双極子モーメントを有することを特徴とする。

また、本発明の本発明の他の態様では、半導体層に正孔を注入する際、イオン液体の陰イオンが分子内方向性すなわち双極子モーメントを有することを特徴とする。

また、本発明の本発明の他の態様では、半導体層に電子を注入する際、イオン液体の陽イオンが分子内方向性すなわち双極子モーメントを有することを特徴とする。

また、本発明の本発明の他の態様では、さらに、イオン液体が、糊剤又は増粘剤を含まないことを特徴とする。

また、本発明の他の態様では、半導体層に正孔を注入する際、イオン液体の陰イオンがＦＳＩであることを特徴とする。

また、本発明の他の態様では、半導体層に正孔を注入する際、イオン液体の陰イオンがＴＦＳＩであることを特徴とする。

イオン液体は室温で液状である。本発明では、液状のイオン液体をその液状のままゲート絶縁層に使用する。これにより、高い応答性がトランジスタにもたらされる。本発明ではイオン液体に糊剤又は増粘剤を混ぜない。もし、混ぜるとゲート絶縁層が液状にならず、ペースト状になってしまうからである。ゲート絶縁層が液状であることの付加的な利点は、十分に高い電流増幅率をもたらすことである。ゲート絶縁層が液状であるので、半導体層の表面（実際には微細な凹凸がある）との接触が良くなり、電流増幅率が十分に高くなると推測される。

イオン液体は、特に限定されるものではないが、例示すれば、以下の陽イオンと陰イオンを組み合わせたものが本発明に使用される。
（１）陽イオン
イミダゾリウム系陽イオン：
1-methyl-3-methylimidazolium(MMI)，
1-ethyl-3-methylimidazolium(EMI)，
1-propyl-3-methylimidazolium(PMI)，
1-butyl-3-methylimidazolium(BMI)，
1-pentyl-3-methylimidazolium(PeMI)，
1-hexyll-3-methylimidazolium(HMI)，
1-oxyl-3-methylimidazolium(OMI)，
1,2-dimethyl-3-propylimidazolium(DMPI)；
ピリジニウム系陽イオン：
1-methl-1-propylpiprodonium(PP13)，
1-methyl-1-propylpyrrolidinium(P13)，
1-methyl-1-butylpyrrolidinium(P14)，
1-butyl-1-methylpyrrolidinium(BMP)；
アンモニウム系陽イオン：
trimethylpropylammonium(TMPA)，
trimethyloctylammonium(TMOA)，
trimethylhexylammonium(TMHA)，
trimethylpentylammonium(TMPeA)，
trimethylbutylammonium(TMBA)；
ピラゾリウム系陽イオン：
1-ethyl-2,3,5-trimethylpyrazolium(ETMP)，
1-butyl-2,3,5-trimethylpyrazolium(BTMP)，
1-propyl-2,3,5-trimethylpyrazolium(PTMP)，
1-hexyl-2,3,5-trimethylpyrazolium(HTMP)；
（２）陰イオン
bis(trifluoromethanesulfonyl)imide TFSI)，
bis(fluorosulfonyl)imide(FSI)，
bis(perfluoroethylsulfonyl)imide(BETI)，
tetrafluoroborate(BF4)，
hexafluorophosphate(PF6)；

なかでも、イオン液体は、下記の（１）、（２）が好ましい。
（１）ＥＭＩ(ＣＦ₃ＳＯ₂)₂Ｎすなわち、
1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide
（２）ＥＭＩ(ＦＳＯ₂)₂Ｎすなわち、
1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide

イオン液体には、その液状を損ねない範囲で、性能（低い駆動電圧、十分に高い電流増幅率、高い応答性）を高める添加剤を添加又は溶解することは是である。そのような添加剤は、例えば、以下の通りである。
ナノ粒子
１）Al₂O₃
２）ZrO₂
３）SiO₂
４）TiO₂
イオン
１）Liイオン
２）Kイオン
３）Naイオン

かかる態様によれば、半導体層（固体）とイオン液体との界面層でのイオン液体の規則的な整列を起こすことができる。

本発明の態様によれば、電界効果トランジスタのキャリア移動度を高くすることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る電界効果トランジスタの好適な実施例を詳細に説明する。

まず、本実施例に係るデユアルゲートトランジスタの構造について説明する。図１は、本実施例に係るデユアルゲートトランジスタの構造を示す概念図である。このデユアルゲートトランジスタは、上下に２つのトランジスタがある。上のトランジスタが本発明にかかるものである。下のトランジスタは従来のものである。

このトランジスタは、ドープシリコンからなる下側ゲート電極１、下側ゲート電極１上に形成されたＳｉＯ₂からなる下側ゲート絶縁層２、下側ゲート絶縁層２上に形成された有機ルブレン単結晶からなる半導体層３、下側ゲート絶縁層２上に形成された金のドレイン電極４、金のソース電極５、有機半導体層３の上に形成されたイオン液体からなる（上側）ゲート絶縁層６、及び金線からなる（上側）ゲート電極７から構成される。

下側ゲート電極１と、下側ゲート絶縁層２と、半導体層３と、ドレイン電極４およびソース電極５とで構成される電界効果トランジスタは、従来と同様にＳｉＯ₂をゲート絶縁層としている。これに対して、上側ゲート電極７と、上側ゲート絶縁層６と、半導体３と、ドレイン電極４およびソース電極５とで構成される電界効果トランジスタは、イオン液体をゲート絶縁層としている。

このように、イオン液体をゲート絶縁層の主要成分としてもちいることによって、上側のトランジスタは、ゲート電極７とソース電極５（又はドレイン電極４）との間にゲート電圧が引火されると、イオン液体−半導体界面に電気二重層が生じる。そのため、トランジスタを低電圧で駆動させることができる。また、ゲート絶縁層として通常よく用いられるＳｉＯ₂（電解質でなく誘電体）を使用したトランジスタに比べて、図２に示すように、低い駆動電圧で十分に多くの電流を流すことができる。即ち、電流増幅率が十分に高い。

図２は、実施例のトランジスタについて、ゲート電圧Ｖ_Gに対するドレイン電流Ｉ_DSの変化を示す図である。ここでは、イオン液体としてＥＭＩ(ＣＦ₃ＳＯ₂)₂Ｎすなわち1-ethyl-3methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imideとＥＭＩ(ＦＳＯ₂)₂Ｎすなわち1-ethyl-3methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imideを用いた場合を示している。また、従来の電界効果トランジスタとの比較のためにＳｉＯ₂をゲート絶縁層として用いた場合も示している。なお、図３にＥＭＩＴＦＳＩとＥＭＩＦＳＩの構造を示す。また、ドレイン−ソース間の電圧V_DSは−１．０Ｖである。

図２に示すように、イオン液体電解質をゲート絶縁層として用いると、ＳｉＯ₂をゲート絶縁層として用いる場合と比較して、より低いスイッチング電圧（ゲート電極とソース電極及びドレイン電極の間の電圧）をゲート電極に印加するだけで、充分に大きな電流を流すことができる。したがって、電界効果トランジスタの消費電力を低減することができる。

また、イオン液体の性質を用いることで、高い周波数応答性、高いイオン伝導度を実現することができる。図４は、イオン液体の静電容量の周波数応答性を示す図である。縦軸は、F／cm^２で、単位面積あたりの静電容量を表し、横軸は単位がHzで、周波数を表す。同図に示すように、イオン液体は、高い周波数でも高い静電容量を示している。すなわち、ゲート絶縁層にイオン液体を用いると、イオン液体本来が有する高いイオン伝導度を利用することで、高い周波数応答性を得ることが可能になる。

また、イオン液体は、常温では液体であるため、有機半導体材料の表面と、その有機半導体材料の表面に設けられる絶縁材料との間の密着性がよくなり、キャリア移動度が高い。特にイオン液体として、ＥＭＩＦＳＩを用いた場合、キャリア移動度を１．２ｃｍ²／Ｖｓ、ＥＭＩＴＦＳＩを用いた場合、キャリア移動度を０．４ｃｍ²／Ｖｓとすることができる。

本発明の効果のひとつである十分に高い電流増幅率は、高いキャリア移動度によってもたらされる。キャリア移動度は、図２の特性曲線の傾きを静電容量で割った値に対応する。したがって、図２および図４からＥＭＩＴＦＳＩとＥＭＩＦＳＩを比較すると、ＥＭＩＦＳＩのキャリア移動度がＥＭＩＴＦＳＩのキャリア移動度より高いことがわかる。

また、固体（有機ルブレン単結晶）−液体（イオン液体）界面の良好な形成のためには界面層でのイオン液体の規則的な整列が起こることが必須となる。そして、界面層でイオン液体の規則的な整列が起こるか否かはイオン液体（半導体層に正孔を注入する際は、陰イオン種、半導体層に電子を注入する際は、陽イオン種）の分子構造に依存する。

例えば、半導体層に正孔を注入する際、図５に示す５つのイオン液体（陰イオン種）のうち、Ｎ(ＣＮ)₂およびＢＦ₄では界面層でのイオン液体の規則的な整列は起こりにくく、ＦＳＩおよびＴＦＳＩでは界面層でのイオン液体の規則的な整列が起こり易い。

その理由は、図５および図６に示すように、分子構造が異なるためである。Ｎ(ＣＮ)₂およびＢＦ₄の分子構造は、分子内に折れ曲がりがなく、方向性がない。すなわち、分子内に双極子モーメントがない。一方、ＦＳＩおよびＴＦＳＩの分子構造は分子内に双極子モーメントが存在するため、方向性を有する。このため、ＦＳＩおよびＴＦＳＩでは、分子内での電子のたまり方が一様でなく、良好な界面を形成し易くなる。すなわち、界面での配向性を良くすることができる。なお、図５に示すＢＥＴＩは分子内に多少の方向性を有する。

図７は、イオン液体が異なる電界効果トランジスタの伝達特性を示す図である。同図に示すように、半導体層に正孔を注入する際、イオン液体（陰イオン種）がＦＳＩおよびＴＦＳＩの場合には、ＢＦ₄の場合と比較して大きなドレイン電流Ｉ_DSを流すことができる。また、イオン液体（陰イオン種）がＢＥＴＩの場合には、ＢＦ₄の場合よりは大きなドレイン電流Ｉ_DSを流すことができるが、ＦＳＩおよびＴＦＳＩの場合と比較すると小さいドレイン電流Ｉ_DSしか流すことができない。図７から、分子内方向性を有するイオン液体電解質ほどゲート絶縁層として優れていることがわかる。

上述してきたように、本実施例では、電界効果トランジスタのゲート絶縁層としてイオン液体電解質を用いることとしたので、イオン液体電界質が高い静電容量を有する性質を利用して、電界効果トランジスタを低電圧で動作させることができる。また、イオン液体電解質を利用したことで、イオン液体電解質が有する高いイオン伝導性を利用し、電界効果トランジスタの周波数応答性能を高くすることができる。また、イオン液体電解質を利用したことで、液体と半導体材料表面の界面の接触を良くすることができ、電界効果トランジスタのキャリア移動度を高くすることができる。即ち、電流増幅率が十分に高い。

また、分子内方向性を有するイオン液体を用いることによって界面層でのイオン液体の規則的な整列を起こすことができ、電界効果トランジスタのキャリア移動度をさらに高くすることができる。

なお、本実施例では、電界効果トランジスタのゲート絶縁層として、イオン液体を用いる場合について説明したが、イオン液体には、その液状を損ねない範囲で、性能（低い駆動電圧、十分に高い電流増幅率、高い応答性）を高める添加剤を添加又は溶解する場合にも、同様の特徴を備える電界効果トランジスタを実現することができる。

また、本実施例では、半導体層に有機ルブレン単結晶を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、オキシクロライドなど無機酸化物材料を用いる場合にも同様に適用することができる。また、ドレイン電極とソース電極に金電極以外の電極を用いる場合にも同様に適用することができる。

以上のように、本発明に係る電界効果トランジスタは、低電圧で動作すると伴に高い周波数応答性能と高いキャリア移動度（低い駆動電圧、十分に高い電流増幅率）を必要とする場合に適している。

本実施例に係るデユアルゲートトランジスタの構造を示す図である。ゲート電圧Ｖ_Gに対するドレイン電流Ｉ_DSの変化を示す図である。ＥＭＩＴＦＳＩおよびＥＭＩＦＳＩの構造を示す図である。イオン液体の静電容量の周波数応答性を示す図である。イオン液体（陰イオン種）の分子構造の例を示す図である。イオン液体（陰イオン種）の分子内方向性の概念図である。イオン液体が異なる電界効果トランジスタの伝達特性を示す図である。

符号の説明

１下側ゲート電極
２下側ゲート絶縁層
３有機ルブレン単結晶
４ドレイン電極
５ソース電極
６上側ゲート絶縁層
７上側ゲート電極

Claims

ゲート絶縁層が、液状であって、その主要成分がイオン液体であることを特徴とし、該イオン液体が分子内方向性を有することを特徴とする電界効果トランジスタ。
前記イオン液体が、糊剤又は増粘剤を含まないことを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
前記イオン液体が、半導体層に正孔を注入する際、イオン液体の陰イオンが分子内方向性すなわち双極子モーメントを有することを特徴とする請求項１または２に記載の電界効果トランジスタ。
前記イオン液体が、半導体層に電子を注入する際、イオン液体の陽イオンが分子内方向性すなわち双極子モーメントを有することを特徴とする請求項１または２に記載の電界効果トランジスタ。
前記イオン液体は、陰イオンがＦＳＩであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電界効果トランジスタ。
前記イオン液体は、陰イオンがＴＦＳＩであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電界効果トランジスタ。