JP2012222206A - 有機半導体素子の製造方法および有機半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】液晶性有機半導体材料を配向させる配向層1上にソース電極2およびドレイン電極3を形成するソース電極およびドレイン電極形成工程と、上記ソース電極および上記ドレイン電極を覆うように上記配向層上に、液晶性有機半導体材料を有する有機半導体層4を形成する有機半導体層形成工程と、上記有機半導体層上の少なくとも上記ソース電極および上記ドレイン電極間のチャネル領域C上に、誘電体層5を形成する誘電体層形成工程と、上記誘電体層が形成された上記有機半導体層を上記液晶性有機半導体材料の液晶相温度でアニール処理するアニール処理工程と、を有することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。
【選択図】図1
Description
まず、本発明の有機半導体素子の製造方法について説明する。本発明の有機半導体素子の製造方法は、液晶性有機半導体材料を配向させる配向層上に、ソース電極およびドレイン電極を形成するソース電極およびドレイン電極形成工程と、上記ソース電極および上記ドレイン電極を覆うように上記配向層上に、液晶性有機半導体材料を有する有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程と、上記有機半導体層上の少なくとも上記ソース電極および上記ドレイン電極間のチャネル領域上に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、上記誘電体層が形成された上記有機半導体層を上記液晶性有機半導体材料の液晶相温度でアニール処理するアニール処理工程と、を有することを特徴とするものである。
以下、本発明の有機半導体素子の製造方法における各工程について説明する。
まず、本発明におけるソース電極およびドレイン電極形成工程について説明する。本工程は、液晶性有機半導体材料を配向させる配向層上に、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程である。
上記ラビング膜としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリエステル、ナイロン等からなる膜を挙げることができる。
また、上記光配向膜としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルシンナメート等からなる膜を挙げることができる。
次に、本発明における有機半導体層形成工程について説明する。本工程は、上記ソース電極および上記ドレイン電極を覆うように上記配向層上に、液晶性有機半導体材料を有する有機半導体層を形成する工程である。
ここで、上記液晶相温度とは、上記液晶性有機半導体材料が液晶相を発現する温度を意味するものである。このような液晶相温度は、例えば、示差走査熱量測定(DSC)による熱分析や、偏光顕微鏡によるテクスチャー観察等によって測定することができる。
次に、本発明における誘電体層形成工程について説明する。本工程は、上記有機半導体層上の少なくとも上記ソース電極および上記ドレイン電極間のチャネル領域上に、誘電体層を形成する工程である。
次に、本発明におけるアニール処理工程について説明する。本工程は、上記誘電体層が形成された上記有機半導体層を上記液晶性有機半導体材料の液晶相温度でアニール処理する工程である。本工程を行うことで、上記配向層上の上記誘電体層が形成されていない誘電体層非形成領域上に、上記液晶性有機半導体材料の凝集物を形成し、有機半導体層の移動度を低下させることなく、容易に有機半導体層をパターニングすることができる。
本発明の有機半導体素子の製造方法は、少なくとも、ソース電極およびドレイン電極形成工程と、有機半導体層形成工程と、誘電体層形成工程と、アニール処理工程とを有するものであるが、必要に応じて他の工程を有していてもよいものである。本発明に用いられる他の工程は、特に限定されるものではなく、本発明において製造される有機半導体素子の用途等に応じて、任意の工程を用いることができる。本発明においては、上記他の工程として、上記ソース電極およびドレイン電極形成工程の前に、基板と、上記基板上に形成されたゲート電極と、上記ゲート電極を覆うように上記基板上に形成されたゲート絶縁層とを有する電極積層体を用い、上記電極積層体の上記ゲート絶縁層上に上記配向層を形成する配向層形成工程を有していてもよい。上記配向層形成工程を有することにより、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の有機半導体素子を形成することができる。
また、上記基板の厚みは、上記基板の種類等に応じて適宜決定されるものであるが、通常、1mm以下であることが好ましく、中でも、1μm〜700μmの範囲内であることが好ましい。
また、上記ゲート電極の厚みは、当該ゲート電極を形成するために用いられる導電性材料の種類等に応じて、所望の導電性を達成できる範囲内で適宜決定されるものであるが、通常、10nm〜1μmの範囲内であることが好ましい。
また、上記ゲート絶縁層の厚みは、当該ゲート絶縁層を形成するために用いられる絶縁性材料の種類等に応じて、所望の絶縁性を達成できる範囲内で適宜決定されるものであるが、通常、10nm〜5μmの範囲内であることが好ましい。
なお、上記配向層形成工程において、配向層を形成するために用いられる構成材料、および形成される配向層の厚みについては、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
なお、上記ゲート電極形成工程において、ゲート電極を形成するために用いられる構成材料、および形成されるゲート電極の厚みについては、上述した内容と同様である。また、本発明においては、上記アニール処理工程の後に、上記ゲート電極形成工程を有していてもよい。
次に、本発明の有機半導体素子について説明する。本発明の有機半導体素子は、液晶性有機半導体材料を配向させる配向層と、上記配向層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、上記ソース電極および上記ドレイン電極を覆うように上記配向層上に形成され、液晶性有機半導体材料を有する有機半導体層と、上記有機半導体層上の少なくとも上記ソース電極および上記ドレイン電極間のチャネル領域上に形成された誘電体層と、を有し、上記配向層上の上記誘電体層が形成されていない誘電体層非形成領域上に、上記液晶性有機半導体材料の凝集物が形成されていることを特徴とするものである。
以下、本発明の有機半導体素子における各構成について説明する。
まず、本発明における有機半導体層について説明する。本発明における有機半導体層は、ソース電極およびドレイン電極を覆うように配向層上に形成され、液晶性有機半導体材料を有するものである。本発明に用いられる液晶性有機半導体材料については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。また、本発明に用いられる有機半導体層の厚み等についても、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明したものと同様である。
次に、本発明における誘電体層について説明する。本発明における誘電体層は、上記有機半導体層上の少なくともソース電極およびドレイン電極間のチャネル領域上に形成されるものである。本発明に用いられる誘電体層の材料および厚み等については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
次に、本発明における凝集物について説明する。本発明における凝集物は、配向層上の誘電体層が形成されていない誘電体層非形成領域上に形成されるものであり、液晶性有機半導体材料が凝集したものである。本発明における凝集物の詳細については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
次に、本発明における配向層について説明する。本発明における配向層は、液晶性有機半導体材料を配向させるものである。本発明に用いられる配向層の材料および厚み等については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
次に、本発明におけるソース電極およびドレイン電極について説明する。本発明におけるソース電極およびドレイン電極は、配向層上に、通常、互いに一定の間隔をもって対向するように形成されるものである。また、ソース電極およびドレイン電極間に設けられた間隔は、チャネル領域となるものである。本発明に用いられるソース電極およびドレイン電極の材料や厚み、ならびにソース電極およびドレイン電極間の距離等については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
本発明の有機半導体素子は、少なくとも、上記配向層、上記ソース電極および上記ドレイン電極、上記有機半導体層、上記誘電体層、および上記凝集物を有するものであり、必要に応じて他の構成を有していてもよいものである。本発明に用いられる他の構成としては、特に限定されるものではなく、本発明の有機半導体素子の用途や、本発明の有機半導体素子の製造方法等に応じて、所望の機能を有するものを適宜選択して用いることができる。本発明においては、上記他の構成として、通常、基板、ゲート電極、およびゲート絶縁層が用いられる。なお、基板、ゲート電極、およびゲート絶縁層については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
(液晶相同定・相転移温度確認実験)
液晶性有機半導体材料である5,5’’−Dioctyl−2,2’:5’,2’’−Terthiophene、(以下、「8−TTP−8」)の液晶相、相転移温度を確認するため、加熱ステージ(メトラー・ドレド社製FP82HT、FP80HT)を用いた偏光顕微鏡(オリンパス株式会社製BH2−UMA)によるテクスチャー観察、およびDSC(示差走査型熱量計:Differential Scanning Calorimeter,NETZSCH社製DSC204 μ‐Sensor)測定を実施し、Iso 92.0 SmC 88.1 SmF 73.6 SmG 65.3 Cryst.(℃)の結果を得た。
<基板、ゲート電極およびゲート絶縁層>
基板としては、厚さ約3000Å(300nm)の酸化ケイ素層が付した厚さ0.6mmのn−ヘビードープシリコンウエハを用いた。これは、n−ヘビードープシリコン部がゲート電極として機能する一方、酸化ケイ素層はゲート絶縁層として働くものであり、その静電容量は約11nF/cm2(ナノファラッド/平方センチメートル)であった。
上記電極積層体を0.1Mのn−Octyltrichlorosilane(OTS)の脱水トルエン溶液に60℃で20分間浸した。次いで、このウエハをトルエン、アセトン、イソプロピルアルコールで洗い、残液を窒素ガンで除いた後、100℃で1時間乾燥することにより、液晶性有機半導体材料を表面に対して垂直に配向させる配向層(厚さ1〜2nm)を形成した。
上記配向層上に、厚さ3nmのCrおよび厚さ27nmのAuを、W(幅)=1000μm、L(長さ)=50μmにてシャドウマスクを通して真空蒸着し、ソース電極およびドレイン電極とした。
上記ソース電極および上記ドレイン電極を覆うように上記配向層上に、液晶性有機半導体材料である上記8−TTP−8を4wt%含有するクロロホルム溶液をスピンコート(2000rpm、10秒)し、厚さ100nm程度の有機半導体層を形成した。
上記有機半導体層上の少なくとも上記ソース電極および上記ドレイン電極間のチャネル領域上に、Teflon AF(三井・デュポンフロロケミカル株式会社製)を6wt%でFC−40(住友スリーエム株式会社製)に溶解させた誘電体層形成用塗工液をスクリーン印刷法にて塗布し、60℃で30分間乾燥することにより、厚さ550nmの誘電体層を形成した。
上記電極積層体、上記配向層、上記ソース電極および上記ドレイン電極、上記有機半導体層、ならびに上記誘電体層からなる積層体に対して、大気下、90℃、1分間の条件でアニール処理を行い、有機半導体素子を作製した。
上記アニール処理工程を行わなかったこと以外は、実施例1と同様の方法により、有機半導体素子を作製した。
上記誘電体層形成工程および上記アニール処理工程の間に、下記のパッシベーション層形成工程を行ったこと以外は、実施例1と同様の方法により、有機半導体素子を作製した。
上記誘電体層を覆うように上記有機半導体層上に、厚さ100μmのラミネートフィルム(株式会社明光商会製)を90℃にて加熱圧着させることにより、パッシベーション層を形成した。
上記アニール処理工程を行わなかったこと以外は、実施例2と同様の方法により、有機半導体素子を作製した。
(有機半導体素子の観察)
上記実施例および比較例において作製した有機半導体素子について、偏光顕微鏡を用いて上面(誘電体層側)から観察した。実施例1で得られた有機半導体素子の観察結果を図8に示す。図8に示されるように、実施例1においては、誘電体層非形成領域上に液晶性有機半導体材料の凝集物が形成されていることが確認された。また、図示しないが、実施例2においても、同様に誘電体層非形成領域上に液晶性有機半導体材料の凝集物が確認されたのに対して、比較例1および比較例2においては、液晶性有機半導体材料の凝集物が確認されなかった。
上記実施例および比較例において作製した有機半導体素子について、トランジスタ特性評価した。トランジスタ特性評価は、KEITHLEY製 237HIGH VOLTAGE SOURCE MEASUREMENT UNITで行った。キャリヤ移動度(μ)は、飽和領域(ゲート電圧Vg<ソース・ドレイン電圧Vsd)におけるデータより、下記式に従って計算した。式中、Idは飽和領域におけるドレイン電流であり、WとLはそれぞれ半導体チャネルの幅と長さであり、Ciはゲート電極の単位面積当たりの静電容量であり、VgおよびVthはそれぞれ、ゲート電圧および閾電圧である。この装置のVthは、飽和領域におけるIdの平方根と、測定データからId=0を外挿して求めた装置のVgとの関係から求めた。
Id=Ciμ(W/2L)(Vg−Vth)2
一方、図11および図12を比較すると、同様に、実施例2では比較例2よりもOFF電流値が低下していることが確認された。また、表1に示されるように、実施例2では比較例2とほぼ同等の有機半導体層の移動度が得られていることが確認された。
以上の結果から、本発明の有機半導体素子の製造方法においては、アニール処理工程により、有機半導体層の移動度を低下させることなく、容易に有機半導体層をパターニングすることができたと考えられる。
2 … ソース電極
3 … ドレイン電極
4 … 有機半導体層
5 … 誘電体層
6 … 凝集物
10 … 有機半導体素子
11 … 基板
12 … ゲート電極
13 … ゲート絶縁層
14 … 電極積層体
15 … パッシベーション層
C … チャネル領域
X … 誘電体層非形成領域
Claims (5)
- 液晶性有機半導体材料を配向させる配向層上にソース電極およびドレイン電極を形成するソース電極およびドレイン電極形成工程と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極を覆うように前記配向層上に、液晶性有機半導体材料を有する有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程と、
前記有機半導体層上の少なくとも前記ソース電極および前記ドレイン電極間のチャネル領域上に、誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、
前記誘電体層が形成された前記有機半導体層を前記液晶性有機半導体材料の液晶相温度でアニール処理するアニール処理工程と、
を有することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。 - 前記ソース電極およびドレイン電極形成工程の前に、基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように前記基板上に形成されたゲート絶縁層とを有する電極積層体を用い、前記電極積層体の前記ゲート絶縁層上に前記配向層を形成する配向層形成工程を有することを特徴とする請求項1に記載の有機半導体素子の製造方法。
- 前記配向層が、前記液晶性有機半導体材料を垂直配向させることができるものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の有機半導体素子の製造方法。
- 液晶性有機半導体材料を配向させる配向層と、
前記配向層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極を覆うように前記配向層上に形成され、液晶性有機半導体材料を有する有機半導体層と、
前記有機半導体層上の少なくとも前記ソース電極および前記ドレイン電極間のチャネル領域上に形成された誘電体層と、
を有し、
前記配向層上の前記誘電体層が形成されていない誘電体層非形成領域上に、前記液晶性有機半導体材料の凝集物が形成されていることを特徴とする有機半導体素子。 - 前記配向層が、基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように前記基板上に形成されたゲート絶縁層とを有する電極積層体の前記ゲート絶縁層上に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の有機半導体素子。
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