JP2010238869A - 有機トランジスタの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板2上にゲート電極3を形成するゲート電極形成工程と、上記ゲート電極3上にゲート絶縁層4を形成するゲート絶縁層形成工程と、上記ゲート絶縁層4表面を洗浄する洗浄工程と、上記洗浄したゲート絶縁層4上に平滑化層形成用塗工液を塗布して平滑化層5を形成する平滑化層形成工程と、上記平滑化層上に有機半導体層8を形成する有機半導体層形成工程と、チャネル領域13を挟んで上記有機半導体層8に接するようにソース電極6およびドレイン電極7を形成するソース・ドレイン電極形成工程とにより、有機トランジスタを製造する。
【選択図】図2
Description
その一方で、半導体材料としては、ペンタセン等の有機半導体材料も知られている。有機半導体材料は、無機半導体材料に比べて安価に大面積化が可能であり、フレキシブルなプラスチック基板上に成膜でき、さらに機械的衝撃に対して安定であるという利点を有することから、電子ペーパー等のフレキシブルディスプレイなど、次世代ディスプレイへの応用を想定した研究が活発に行われている。
そこで、オクタデシルトリクロロシラン(OTS)やヘキサメチルジシラザン(HMDS)等のシランカップリング剤を用いて、ゲート絶縁層を表面処理することにより、ゲート絶縁層の表面エネルギーを改質し、ゲート絶縁層表面および有機半導体材料の親和性を高める方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、特許文献1には、ゲート絶縁層および有機半導体層の界面の平滑性については開示されていない。
そこで、酸化物が得られる金属を用い、金属膜の表面を酸化して金属酸化膜を形成し(陽極酸化)、ゲート電極の表面粗さを小さくする方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
本発明の有機トランジスタの製造方法は、基板上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、上記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成するゲート絶縁層形成工程と、上記ゲート絶縁層表面を洗浄する洗浄工程と、上記洗浄したゲート絶縁層上に平滑化層形成用塗工液を塗布して平滑化層を形成する平滑化層形成工程と、上記平滑化層上に有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程と、チャネル領域を挟んで上記有機半導体層に接するようにソース電極およびドレイン電極を形成するソース・ドレイン電極形成工程とを有することを特徴とするものである。
図1は、本発明の有機トランジスタの製造方法の一例を示す工程図である。まず、基板2上にゲート電極3をパターン状に形成し、このゲート電極3を覆うようにゲート絶縁層4を形成する(図1(a)、ゲート電極形成工程およびゲート絶縁層形成工程)。次いで、紫外線11を照射することにより、ゲート絶縁層4表面を洗浄する(図1(b)、洗浄工程)。紫外線の照射により、酸素からオゾンが生成し、さらにオゾンが分解されて活性酸素が生成し、この活性酸素の作用によってゲート絶縁層表面に付着した有機物等が除去されるのである。
次に、ゲート絶縁層4上に、平滑化層形成用塗工液を塗布して平滑化層5を形成する(図1(c)、平滑化層形成工程)。次に、平滑化層5上にチャネル領域13を挟むようにソース電極6およびドレイン電極7を形成する(図1(d)、ソース・ドレイン電極形成工程)。次に、平滑化層5、ソース電極6およびドレイン電極7の上に有機半導体層8を形成する(図1(e)、有機半導体層形成工程)。
本発明によれば、ゲート絶縁層を洗浄した後に、ゲート絶縁層上に平滑化層を形成し、その平滑化層上に有機半導体層を形成するので、上述したように、ゲート絶縁層表面の平滑化、およびゲート絶縁層の表面改質を図ることができ、平滑化層および有機半導体層の界面の平滑性および密着性を向上させることができる。
以下、本発明の有機トランジスタの製造方法における各工程について説明する。
本発明におけるゲート電極形成工程は、基板上にゲート電極を形成する工程である。
本発明におけるゲート絶縁層形成工程は、上記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成する工程である。
本発明における洗浄工程は、上記ゲート絶縁層表面を洗浄する工程である。ゲート絶縁層表面を洗浄することにより、ゲート絶縁層表面に付着する不純物を除去して、ゲート絶縁層表面を清浄化することができる。これにより、有機半導体層中への不純物拡散による性能劣化を低減させることが可能である。
本発明における平滑化層形成工程は、上記洗浄したゲート絶縁層上に平滑化層形成用塗工液を塗布して平滑化層を形成する工程である。ドライプロセスと比較して、塗工液を用いるウェットプロセスでは、レベリング性が良く、平滑性の良い膜を得ることができる。
ここで、光二量化反応とは、光照射により偏光方向に配向した反応部位がラジカル重合して分子2個が重合する反応をいい、この反応により偏光方向の配向を安定化し、光配向膜に異方性を付与することができるものである。また、光分解反応とは、光照射により偏光方向に配向した高分子の分子鎖を分解する反応をいい、この反応により偏光方向に垂直な方向に配向した分子鎖を残し、光配向膜に異方性を付与することができるものである。光反応型の材料の中でも、露光感度が高く、材料選択の幅が広いことから、光二量化反応により光配向膜に異方性を付与する材料を用いることがより好ましい。
本発明における有機半導体層形成工程は、上記平滑化層上に有機半導体層を形成する工程である。
本発明におけるソース・ドレイン電極形成工程は、チャネル領域を挟んで上記有機半導体層に接するようにソース電極およびドレイン電極を形成する工程である。
本発明の有機トランジスタの製造方法は、上述した工程以外に、他の構成部材を形成する工程を有していてもよい。他の構成部材としては、本発明により得られる有機トランジスタの用途等に応じて任意の機能を有するものを用いることができる。
本発明により得られる有機トランジスタは、いわゆるボトムゲート型構造を有するものである。有機トランジスタの構造としては、ボトムゲート型構造であれば特に限定されるものではなく、ボトムゲート・トップコンタクト型構造であってもよく、ボトムゲート・ボトムコンタクト型構造であってもよい。
[実施例1]
本実施例においては、ボトムゲート型構造を有する有機半導体トランジスタを備える有機半導体素子を作製した。
スパッタリング法により全面にCrが厚み300nmで成膜された大きさ150mm×150mm×0.7mmのガラス基板を用意した。上記基板上にフォトレジスト(ポジ)をスピンコートした。このときのスピンコートは、1800rpmで10sec保持させた。その後、基板を100℃で1分乾燥させた後、50mJ/cm2でパターン露光した。
次に、露光部分のレジスト現像を行い、その後、200℃のオーブンで60分乾燥させた。次いで、レジストのない部分のCrのエッチングを行い、ゲート電極とした。
ポリビニルフェノール(PVP)溶液(固形分濃度:20wt%)を上記基板上にスピンコートした。このときのスピンコートは、800rpmで10sec保持させた。その後、基板を120℃で2分乾燥させた後、350mJ/cm2でパターン露光した。次に、露光部分のレジスト現像を行い、その後、200℃のオーブンで30分乾燥させた。ゲート絶縁層はゲート電極上に形成した。なお形成されたゲート絶縁層の膜厚は1μmであった。
上記ゲート絶縁層形成基板を光源に低圧水銀ランプ(照射波長:254nm)を有するUV・オゾン洗浄機にて3分間の洗浄を行った。なお洗浄後のゲート絶縁層の表面粗度は120nmであった。
平滑化層としてアゾベンゼン系の光配向性材料を上記洗浄基板上にスピンコートし、80℃のHPにて60secの乾燥処理を行った。その後偏光板を介しUV露光機(波長:365nm)にてUV照射した。なお塗布した平滑化層の膜厚は50nm、表面粗度は0.3nmであった。
平滑化層形成基板上に真空蒸着法にてソース・ドレイン電極を形成した。なお使用した材料は金でパターニングはメタルマスクを用いた。ソース・ドレイン電極の膜厚は50nmであった。形成されたソース電極およびドレイン電極を反射型光学顕微鏡にて観察したところ、ソース電極とドレイン電極との電極間距離(チャネル長)は50μmであった。
液晶性を有するチオフェン系有機半導体材料を真空蒸着法にてソース電極およびドレイン電極の間(チャネル形成部位)に蒸着し有機半導体層とした。有機半導体層の膜厚は50nmであった。
作製した有機半導体素子の有機半導体トランジスタのトランジスタ特性を測定した結果、トランジスタとして駆動していることが分かった。このとき、有機半導体トランジスタのON電流は8×10−6A、OFF電流は4×10−13Aであった。
本実施例においては、ボトムゲート型構造を有する有機半導体トランジスタを備える有機半導体素子を作製した。
スパッタリング法により全面にCrが厚み300nmで成膜された大きさ150mm×150mm×0.7mmのガラス基板を用意した。上記基板上にフォトレジスト(ポジ)をスピンコートした。このときのスピンコートは、1800rpmで10sec保持させた。その後、基板を100℃で1分乾燥させた後、50mJ/cm2でパターン露光した。
次に、露光部分のレジスト現像を行い、その後、200℃のオーブンで60分乾燥させた。次いで、レジストのない部分のCrのエッチングを行い、ゲート電極とした。
ポリビニルフェノール(PVP)溶液(固形分濃度:20wt%)を上記基板上にスピンコートした。このときのスピンコートは、800rpmで10sec保持させた。その後、基板を120℃で2分乾燥させた後、350mJ/cm2でパターン露光した。次に、露光部分のレジスト現像を行い、その後、200℃のオーブンで30分乾燥させた。ゲート絶縁層はゲート電極上に形成した。なお形成されたゲート絶縁層の膜厚は1μmであった。
上記ゲート絶縁層形成基板を光源にエキシマランプ(172nm)を有するVUV洗浄機にて3分間の洗浄を行った。なお洗浄後のゲート絶縁層の表面粗度は80nmであった。
平滑化層としてアゾベンゼン系の光配向性材料を上記洗浄基板上にスピンコートし、80℃のHPにて60secの乾燥処理を行った。その後偏光板を介しUV露光機(波長:365nm)にてUV照射した。なお塗布した平滑化層の膜厚は50nm、表面粗度は0.3nmであった。
平滑化層形成基板上に真空蒸着法にてソース・ドレイン電極を形成した。なお使用した材料は金でパターニングはメタルマスクを用いた。ソース・ドレイン電極の膜厚は50nmであった。形成されたソース電極およびドレイン電極を反射型光学顕微鏡にて観察したところ、ソース電極とドレイン電極との電極間距離(チャネル長)は50μmであった。
液晶性を有するチオフェン系有機半導体材料を真空蒸着法にてソース電極およびドレイン電極の間(チャネル形成部位)に蒸着し有機半導体層とした。有機半導体層の膜厚は50nmであった。
作製した有機半導体素子の有機半導体トランジスタのトランジスタ特性を測定した結果、トランジスタとして駆動していることが分かった。このとき、有機半導体トランジスタのON電流は9×10−6A、OFF電流は3×10−13Aであった。
本比較例においては、ボトムゲート型構造を有する有機半導体トランジスタを備える有機半導体素子を作製した。(平滑化層なし)
スパッタリング法により全面にCrが厚み300nmで成膜された大きさ150mm×150mm×0.7mmのガラス基板を用意した。上記基板上にフォトレジスト(ポジ)をスピンコートした。このときのスピンコートは、1800rpmで10sec保持させた。その後、基板を100℃で1分乾燥させた後、50mJ/cm2でパターン露光した。
次に、露光部分のレジスト現像を行い、その後、200℃のオーブンで60分乾燥させた。次いで、レジストのない部分のCrのエッチングを行い、ゲート電極とした。
PVP溶液(固形分濃度:20wt%)を上記基板上にスピンコートした。このときのスピンコートは、800rpmで10sec保持させた。その後、基板を120℃で2分乾燥させた後、350mJ/cm2でパターン露光した。次に、露光部分のレジスト現像を行い、その後、200℃のオーブンで30分乾燥させた。ゲート絶縁層はゲート電極上に形成した。なお形成されたゲート絶縁層の膜厚は1μmであった。
上記ゲート絶縁層形成基板を光源に低圧水銀ランプ(照射波長:254nm)を有するUV・オゾン洗浄機にて3分間の洗浄を行った。なお洗浄後のゲート絶縁層の表面粗度は120nmであった。
ゲート絶縁層形成基板上に真空蒸着法にてソース・ドレイン電極を形成した。なお使用した材料は金でパターニングはメタルマスクを用いた。ソース・ドレイン電極の膜厚は50nmであった。形成されたソース電極およびドレイン電極を反射型光学顕微鏡にて観察したところ、ソース電極とドレイン電極との電極間距離(チャネル長)は50μmであった。
液晶性を有するチオフェン系有機半導体材料を真空蒸着法にてソース電極およびドレイン電極の間(チャネル形成部位)に蒸着し有機半導体層とした。有機半導体層の膜厚は50nmであった。
作製した有機半導体素子の有機半導体トランジスタのトランジスタ特性を測定した結果、トランジスタとして駆動していることが分かった。しかしながら、ON電流は1×10−9A、OFF電流は3×10−10Aであり、トランジスタとしてのスイッチング性能の指標であるON/OFF比が3程度であり、非常に低いものであった。
本比較例においては、ボトムゲート型構造を有する有機半導体トランジスタを備える有機半導体素子を作製した。(平滑化層なし)
スパッタリング法により全面にCrが厚み300nmで成膜された大きさ150mm×150mm×0.7mmのガラス基板を用意した。上記基板上にフォトレジスト(ポジ)をスピンコートした。このときのスピンコートは、1800rpmで10sec保持させた。その後、基板を100℃で1分乾燥させた後、50mJ/cm2でパターン露光した。
次に、露光部分のレジスト現像を行い、その後、200℃のオーブンで60分乾燥させた。次いで、レジストのない部分のCrのエッチングを行い、ゲート電極とした。
PVP溶液(固形分濃度:20wt%)を上記基板上にスピンコートした。このときのスピンコートは、800rpmで10sec保持させた。その後、基板を120℃で2分乾燥させた後、350mJ/cm2でパターン露光した。次に、露光部分のレジスト現像を行い、その後、200℃のオーブンで30分乾燥させた。ゲート絶縁層はゲート電極上に形成した。なお形成されたゲート絶縁層の膜厚は1μmであった。
上記ゲート絶縁層形成基板を光源にエキシマランプ(172nm)を有するVUV洗浄機にて3分間の洗浄を行った。なお洗浄後のゲート絶縁層の表面粗度は80nmであった。
ゲート絶縁層形成基板上に真空蒸着法にてソース・ドレイン電極を形成した。なお使用した材料は金でパターニングはメタルマスクを用いた。ソース・ドレイン電極の膜厚は50nmであった。形成されたソース電極およびドレイン電極を反射型光学顕微鏡にて観察したところ、ソース電極とドレイン電極との電極間距離(チャネル長)は50μmであった。
液晶性を有するチオフェン系有機半導体材料を真空蒸着法にてソース電極およびドレイン電極の間(チャネル形成部位)に蒸着し有機半導体層とした。有機半導体層の膜厚は50nmであった。
作製した有機半導体素子の有機半導体トランジスタのトランジスタ特性を測定した結果、トランジスタとして駆動していることが分かった。しかしながら、ON電流は3×10−9A、OFF電流は1×10−10Aであり、トランジスタとしてのスイッチング性能の指標であるON/OFF比が30であり、非常に低いものであった。
3 … ゲート電極
4 … ゲート絶縁層
5 … 平滑化層
6 … ソース電極
7 … ドレイン電極
8 … 有機半導体層
Claims (4)
- 基板上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート電極上にゲート絶縁層を形成するゲート絶縁層形成工程と、
前記ゲート絶縁層表面を洗浄する洗浄工程と、
前記洗浄したゲート絶縁層上に平滑化層形成用塗工液を塗布して平滑化層を形成する平滑化層形成工程と、
前記平滑化層上に有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程と、
チャネル領域を挟んで前記有機半導体層に接するようにソース電極およびドレイン電極を形成するソース・ドレイン電極形成工程と
を有することを特徴とする有機トランジスタの製造方法。 - 前記ゲート絶縁層形成工程にて、絶縁性有機材料を含有するゲート絶縁層形成用塗工液を塗布して前記ゲート絶縁層を形成することを特徴とする請求項1に記載の有機トランジスタの製造方法。
- 前記平滑化層の表面粗度が2nm以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の有機トランジスタの製造方法。
- 前記平滑化層形成用塗工液を塗布して得られる塗膜に光配向処理を施すことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかに記載の有機トランジスタの製造方法。
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