JP2013004637A - 有機薄膜トランジスタの評価方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板上にゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜層と、有機半導体層とを備え、前記電極を介して印加する電圧によって該電極で画されたチャネル領域の電荷状態が制御を受ける薄膜トランジスタの評価方法であって、前記電極を通じて矩形波または正弦波により時間振動する変調電圧を印加するとともに、前記チャネル領域にレーザー光を照射してその透過光を得、前記変調電圧の高電圧時における透過光強度(T)と、該透過光強度(T)から前記変調電圧の低電圧時における透過光強度を差し引いた値(ΔT)を測定して、それらの値(TとΔT)に基づいて前記チャネル領域の電荷密度分布を求める。
【選択図】図2
Description
・トップコンタクト構造:基板/ゲート電極/ゲート絶縁膜層/有機半導体層/ソース・ドレイン電極
・ボトムコンタクト構造:基板/ゲート電極/ゲート絶縁膜層/ソース・ドレイン電極/有機半導体層
・トップゲート構造:基板/ソース・ドレイン電極/有機半導体層/ゲート絶縁膜層/ゲート電極
本発明の評価方法を適用する有機薄膜トランジスタは、その基板としては、光透過性に富み寸法安定性に優れていることが好ましい。例えば、ガラス、各種プラスチック、各種フィルム等の透明基板が挙げられる。
本発明の評価方法を適用する有機薄膜トランジスタは、そのゲート電極の材料としては、電極として用いるのに十分導電性を有するものであればよく、例えば、金、銀、チタン、クロム、ニッケルなどの金属が挙げられる。また、IZO、ITOなどの導電性酸化物が挙げられる。ゲート電極は、後述する評価方法において、照射するレーザー光の光透過性が妨げられないようにするために、その膜厚が10nm以下で形成されていることが好ましい。ゲート電極の形成方法としては、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などが挙げられる。
本発明の評価方法を適用する有機薄膜トランジスタは、そのゲート絶縁膜層の材料としては、ゲート絶縁膜層として用いるのに十分な絶縁性を有するものであればよく、例えば、パリレンC、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、PVP(ポリビニルフェノール)、Cytop(旭硝子株式会社製)などの高分子材料が挙げられる。ゲート絶縁膜層は、後述する評価方法において印加する変調電圧に応じた膜厚変化が十分に生じるような、ヤング率が比較的小さい材料で形成されていることが好ましい。そのヤング率は4GPa以下であることが好ましい。膜厚は、薄すぎると後述する評価方法において照射するレーザー光の透過光の干渉効果を利用できない。また、厚すぎるとゲート絶縁膜の静電容量が小さくなってしまい、有機半導体層に注入される電荷量が少なくなってしまう。その膜厚は500〜1200nmの範囲で形成されていることが好ましい。
本発明の評価方法を適用する有機薄膜トランジスタは、その有機半導体層の材料としては、例えば、ペンタセン、ルブレン等のP型低分子有機半導体材料、ポリ3(ヘキシルチオフェン)(略称P3HT)等のP型高分子有機半導体材料、またはフラーレン等のn型有機半導体材料を用いることができる。通常その膜厚は10〜100nm程度であればよい。有機半導体層の形成方法としては、抵抗加熱蒸着法やインクジェット法などが挙げられる。
本発明の評価方法を適用する有機薄膜トランジスタは、そのソース電極及び/又はドレイン電極の材料としては、電極として用いるのに十分導電性を有するものであればよく、例えば、金、銀、チタン、クロム、ニッケルなどの金属が挙げられる。また、IZO、ITOなどの導電性酸化物が挙げられる。通常その膜厚は20〜100nm程度であればよい。ソース電極及び/又はドレイン電極の形成方法としては、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などが挙げられる。ただし有機半導体層上に形成する場合は、有機層にダメージの少ない抵抗加熱蒸着法が好ましい。
図4に示すトップコンタクト構造の有機薄膜トランジスタ(デバイス1)を作製した。具体的には、10mm×10mm×0.7mm厚の石英ガラスからなる透明基板1を抵抗加熱蒸着装置に装着し、その基板上に金(Au)を蒸着して膜厚7nmのゲート電極2を形成した。続いて、パリレンコーターにて膜厚約1μmのパリレン層を形成し、ゲート絶縁膜層3とした。次に、グローブボックス内に設置された抵抗加熱蒸着装置にて、ペンタセン(昇華精製を二回実施して精製したもの)を蒸着して膜厚30nmの有機半導体層4を形成した。この基板を抵抗加熱蒸着装置に装着し、金(Au)を蒸着してチャネル長100μm、チャネル幅500μm、電極幅100μmの構成からなる膜厚25nmのソース電極5とドレイン電極6とを形成した。このデバイス1の電荷移動度を半導体パラメータ測定装置(Agilent社製)で測定したところ、0.1cm2/Vsであった。
図5に示すボトムコンタクト構造の有機薄膜トランジスタ(デバイス2)を作製した。具体的には、10mm×10mm×0.7mm厚の石英ガラスからなる透明基板1を抵抗加熱蒸着装置に装着し、その基板上に金(Au)を蒸着して膜厚7nmのゲート電極2を形成した。続いて、パリレンコーターにて膜厚約1μmのパリレン層を形成し、ゲート絶縁膜層3とした。この基板を抵抗加熱蒸着装置に装着し、金(Au)を蒸着してチャネル長100μm、チャネル幅500μm、電極幅100μmの構成からなる膜厚25nmのソース電極5とドレイン電極6とを形成した。次に、グローブボックス内に設置された抵抗加熱蒸着装置にて、ペンタセン(昇華精製を二回実施して精製したもの)を蒸着して、膜厚30nmの有機半導体層4を形成した。このデバイス1の電荷移動度を半導体パラメータ測定装置(Agilent社製)で測定したところ、0.01cm2/Vsであった。
デバイス評価のための予備検討として、上記製造例で作製したデバイス1又はデバイス2について、異なる波長にわたる透過光強度の干渉スペクトルを取得した。具体的には、キセノンランプをモノクロメーター(「CT-25GT」Jasco製)で分光して入射光として用い、デバイスのソース・ドレイン電極側からそのチャネル領域に照射して、ゲート電極側への透過光をカセグレン顕微鏡(Nicolet製)にて検出し、透過光強度の干渉スペクトルを取得した。
2:ゲート電極
3:ゲート絶縁膜層
4:有機半導体層
5:ソース電極
6:ドレイン電極
IL:入射光
S:サンプル
L:対物レンズ
TL:透過光
PD:フォトダイオード
FG:ファンクションジェネレーター
EM:エレクトロメーター
LA:二相ロックインアンプ
ref:参照周波数
ch:チャネル長
Claims (5)
- 基板上にゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート絶縁膜層と、有機半導体層とを備え、前記電極を介して印加する電圧によって該電極で画されたチャネル領域の電荷状態が制御を受ける薄膜トランジスタの評価方法であって、前記電極を通じて矩形波または正弦波により時間振動する変調電圧を印加するとともに、前記チャネル領域にレーザー光を照射してその透過光を得、前記変調電圧の高電圧時における透過光強度(T)と、該透過光強度(T)から前記変調電圧の低電圧時における透過光強度を差し引いた値(ΔT)を測定して、それらの値(TとΔT)に基づいて前記チャネル領域の電荷密度分布を求めることを特徴とする有機薄膜トランジスタの評価方法。
- 前記値(TとΔT)の測定を、前記レーザー光の照射位置を走査して行う請求項1記載の有機薄膜トランジスタの評価方法。
- 前記値(TとΔT)に基づいて、下記式(1)によって電荷密度(Q)を求める請求項1又は2記載の有機薄膜トランジスタの評価方法。
- 前記レーザー光として、前記有機半導体層による吸収の影響を受けない波長域のレーザー光を用いる請求項1〜3のいずれか1つに記載の有機薄膜トランジスタの評価方法。
- 前記ゲート絶縁膜層として、ヤング率が4GPa以下の材料からなるゲート絶縁膜層を用いた有機薄膜トランジスタに適用する請求項1〜4のいずれか1つに記載の有機薄膜トランジスタの評価方法。
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