JP2014512108A - トランジスタ - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体微結晶からなる半導体を含むチャネルによって架橋されるソース及びドレイン電極（０１）を備える電界効果トランジスタを提供するのであって、半導体の導電率は、半導体並びにソース電極及びドレイン電極から絶縁されたゲート電極（０２）によって制御され、ゲート電極には半導体の導電率を制御するために電位が印加され、ソース電極及びドレイン電極の各対向面の少なくとも一部は、前記チャネルを経て、電極間に異なる方向の電流の流れを提供するように、幾何学的に形成される。これにより、電流がより多くの結晶配向を経て流れるようになり、結晶方位のばらつきがあるときに、異なるトランジスタ間の性能についてより高い均一性が得られる。

Description

本発明は、トランジスタに関する。

ソース電極及びドレイン電極が半導体により架橋され、該半導体の導電率が、当該半導体並びにソース電極及びドレイン電極から絶縁されたゲート電極によって制御され、該ゲート電極には、半導体の導電率を制御する目的で電位が印加される電界効果トランジスタは既知である。

性能仕様を満たすために、そのようなデバイスにとっては、それらの性能を容認できる一貫性のあるものとする必要がある。このことは、多くのトランジスタを含み、一貫性のない性能が表示欠陥として見えるようになるディスプレイデバイスでは特に重要である。

特許文献１（米国特許出願公開第２０１０／０１５５７１０号明細書）には、等方性成長によって良好に配向される結晶を形成するプロセスが開示されており、この文献の写真では、ソース電極とドレイン電極との間のチャネルにおける半導体の大きな結晶がチャネルを架橋しているように見える。これは、ドレイン電極の上に水滴を堆積し、その水滴の上に半導体の非混和性溶液を堆積して、この溶液が水滴の上からドレイン電極とソース電極との間の周りのチャネル内へと流れ込むようにして達成される。チャネルは必然的にドレイン電極を囲むように思われるが、これは特許文献１の一部の図面、並びにソース電極及びドレイン電極が正方形状であるといわれる図９の写真からでは、そのように見なすのは困難である。

この処理手順は、ピペット等を用いて、小規模に行われたものと見受けられ、電流が流れる方向のチャネル長は２００μｍであった。工業生産へのスケールアップ、及び今日採用されている４μｍ程度の短いチャネル長に対処するには難点がある。

特許文献１の明細書において、注意を要すると述べている問題として、液量、液体粘度、液体蒸発速度、及び滴下の高さ、滴下角度、滴下環境、滴下飛散等を挙げている。液滴を極めて小さな対象物の上に配し、次にこの第１の液滴の上に第２の液滴を配する課題は、既存設備の実用性の及ぶものではないと思われる。対象物に影響を与える液滴の大きさのばらつき防止という課題及び他の難点は、トランジスタに不均一性を招く可能性がある。特許文献１に記載されているプロセスは、非常に困難であるように見受けられ、再現性の高い性能をもつトランジスタを大規模に製造するための、より単純なプロセスが必要である。

特許文献１のプロセスによる製品の更なる課題は、ドレイン電極の大部分が半導体で覆われなくなることにある。もっとも、これがそうなる程度については、半導体溶液が水滴の表面上に飛散する、又は広がる範囲に依存すると推測される。水がチャネル内に広がる場合には、結果として、半導体溶液がチャネルを満たさなくなると推測され、溶液の蒸発がチャネルの接続を損なう恐れがある。

本発明は、より単純な手順によって、特性の均一性がとれたトランジスタを大規模に製造することを可能にし、ここで用いる半導体微結晶は良好に配向されている必要はない。

特許文献２（国際公開第２００３／０５８７２９号）には、非線形構造と称されるものを採用して、ソース電極とドレイン電極とを分離するチャネルを延在させる半導体デバイスが記載されている。この特許文献２の図面のほとんどにおいて、非線形チャネルは、連結した線形部で構成されており、湾曲部がない。このような配置は、密なパッキングを達成でき、チャネル幅を最大化できる。この技術分野における慣習に従い、チャネル長はソース電極とドレイン電極との間の距離として定義され、チャネル幅は前記チャネルの幾何学的範囲として定義される。

この参考文献には、半導体の結晶性又はトランジスタ性能の均一性に関する教示はないが、発明の普遍性を強調するために、図６に蛇行構造が示されている。これは利用可能なスペースの使用としては最適でないように見受けられる。

米国特許出願公開第２０１０／０１５５７１０号明細書 国際公開第２００３／０５８７２９号

半導体が非結晶質である場合、それはソース及びドレイン電極のいずれもの配向に一致する傾向があるが、一般的に電気的特性が等方的でない結晶質の半導体を用いることで、より高い電荷移動度が求められている。

従って、半導体結晶が電極間の電流経路に対して最適な配向で配列されている場合には、配列が最適でない場合よりもその結晶性能は優れている。通常の製造手順では、配列方向を制御することはできず、同様の技術によって製造されるトランジスタは予測不能な性能のものとなり得る。デバイスのチャネル長よりもはるかに小さな結晶の場合、電流経路に対する結晶の配向が完全にランダムだとデバイスの性能は最適とはならないが、デバイスの各サンプルは同等の性能を有する。トランジスタのサイズ縮小への絶えることのない要求に鑑みて、チャネル長に対する結晶の数が減少すると、平均的な配列度が異なる局所領域が生じることが分かる。

結晶性半導体材料が単一の結晶である限り、その結晶は完全に配列されるが、最良の配向であるとは限らない。結晶性半導体材料が多様の結晶からなる場合には、それらの結晶の配向が実質上ランダムである可能性が高い。そうでない場合には、平均配向がデバイス毎に異なり、通常どおり結晶の伝導性が非等方的である場合には、デバイスの性能は不均一なものとなる。チャネル長が短いほど、それを架橋する結晶が少なくなり（各結晶のサイズは同程度のものと仮定する）、チャネル長が長くなればなるほど、電荷移動度のばらつきが大きくなりがちである。

半導体は有機物又は無機物であってもよい。半導体は、結晶領域及び随意の非結晶質の領域を有する低分子成分とするか、又は高分子成分とすることができる単結晶成分を含むことができる。また、半導体は、結晶性の低分子半導体と、半導体とすることもできる結合剤との両方を含むことができる。後者の場合、低分子成分の微結晶は、結合剤のマトリックス内に存在し、又は程度の差こそあるが伝導チャネル内に膜として分離するため、電極を接続することができる。

半導体を溶液から堆積し、その後溶媒を蒸発させる場合には、低分子から形成される結晶は、異なるチャネルにおける結晶の成長現象により、異なって配列される場合がある。半導体を形成する結晶の低分子蒸着によって堆積する場合にも、結晶の成長現象によって、異なるチャネルにおいて異なる配列がもたらされる場合がある。結晶物質がマトリックス中に分散された粒子として存在し、伝導チャネル長に対する平均結晶サイズの割合が小さく、多数の結晶が存在する場合には、結晶の配向がランダムなものとなる場合がある。しかし、伝導チャネル長に対する平均結晶サイズが大きく、例えば、４分の１以上の大きさ、すなわち１以上対４の割合（これはソース電極からドレイン電極までの最短距離として表される）の場合には、配列の均一性は位置によって異なる可能性がより高くなる。

電界効果トランジスタの寸法を小型化する傾向があり、これにより必然的にソース電極とドレイン電極との距離が短くなる。これら電極間の間隙を架橋する微結晶が少ないほど、異なるトランジスタ間の性能のばらつきが生じ得る。これは、微結晶の一部の領域が他領域よりも電流の流れに対してより最適な配向に一致するようになるからである。

本発明は、様々な配列の半導体微結晶からなる半導体により架橋されるソース電極及びドレイン電極を備える電界効果トランジスタであって、半導体の導電率は、半導体並びにソース電極及びドレイン電極から絶縁されたゲート電極によって制御され、ゲート電極には、半導体の導電率を制御するために電位が印加され、ソース電極及びドレイン電極の対向面の少なくとも一部は、チャネルを経て、電極間に異なる方向の電流の流れを提供するように、幾何学的に形成される電界効果トランジスタを提供する。これにより、電流がより多くの結晶配向に流れるようになり、異なるトランジスタ間の性能がより均一になる。

本発明は、微結晶の結晶学的配列のばらつき度合が大きい傾向がある電界効果トランジスタの性能の均一性向上に最大の効果があり、程度は落ちるものの、結晶学的配列のばらつき度合が小さいときにも効果があることが明らかであろう。

また本発明は、ソース電極とドレイン電極とを架橋する半導体微結晶からなる半導体を含む電界効果トランジスタの性能の均一性を、各対向面が様々な接面(tangents)を有するように輪郭付けされたソース電極及びドレイン電極を用いることで、改善する方法を提供する。

電極間のチャネルが全幅にわたって同様となるように、電極の対向面は相補的とすることが好ましい。チャネルは、全幅にわたって湾曲させるのが好ましい。チャネルを円形にすると、内側電極は外側電極よりも外周が短くなり、電流が扇状のパターンで流れるため、電流は種々の方向へと流れる。しかし、円形のチャネルは、内側電極へのアクセスにビアを介する必要があることで製造的な困難を引き起こす可能性がある。このことが製造工程を複雑化し得るため、開放チャネルを推奨する。開放チャネルには、例えば、交互に反転する半円をもつ、又は正弦波状若しくは同様の形状（例えば、互いに連結され、交互に反転した円錐曲線の切断面、例えば放物線又は楕円の断面のような形状）をもつ割円形状が含まれる。

チャネルは、平坦で、かつ実質的に不連続部がないことが好ましい。各対向面は、互いに整合する構造であることが好ましい。各対向面間のチャネル長は、実質的に一定であることが好ましい。半導体の幾何学的環境は、チャネルの全幅に沿って変化することが好ましい。

本発明は、ソース電極とドレイン電極との間隔が狭くなるほど効果が上がるものであり、その間隔が２０ミクロン以下である場合に非常に有効である。間隔が最大で１０ミクロン、例えば最大で４ミクロンである場合に特に有効である。

本発明は、個々の微結晶が電極間の間隙を架橋し得るのに十分な大きさ又はそれに近い大きさを有している場合に、特に好適である。

半導体は結合剤を含むのが好ましく、結合剤は非結晶質であることが好ましく、また結合剤そのものが半導体であることが好ましい。微結晶半導体及び非結晶半導体の両方が技術的に確立されており、例えばトリアルキルシリルエチニル基で置換することが好ましいペンタセン等のポリアセン等の結晶半導体と、ポリトリアリールアミン等の非結晶半導体との組合せが適切である。しかしながら、本発明は、前述のように半導体結晶の配向に関連する基本的な物理的特性に関連するのであって、特定の結晶又はその結晶の特定の配置（チャネルを架橋するフィルムとして、又は好適にはマトリックスとして存在する等の配置）に関連するものではない。

本発明によるトランジスタを示す図である。

以下、図面を参照しながら、発明の一形態を説明するが、ここでソース電極及びドレイン電極は０１として、ゲート電極は０２として示してある。成形した、トランジスタのソース電極、ドレイン電極及びゲート電極は、チャネル形状を詳細に示すためにボトムゲート構造で示している。トランジスタの調製及びその性能については、下記の実験結果に記載する。

[実験結果]
ソース及びドレイン（ＳＤ）電極の形状が、有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）において、駆動電流の広がりに及ぼす影響について調査するためにトップゲート・ボトムコンタクト型のトランジスタを作成した。実験に際して、様々な異なる４インチ角の基板を用いた。具体的には、ガラス、平坦化したポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）（例えば、デュポン帝人フィルム）、及び架橋ＳＵ８ネガ型フォトレジスト（マイクロケム）の層で被覆したガラスを用いた。金（Ａｕ）製のソース電極及びドレイン電極を、標準のフォトリソグラフィ法及び化学的なウェットエッチングを用いて基板上に画定した。ＰＥＮ及びガラス基板に対しては、Ａｕの下に薄い（５ｎｍの）チタン（Ｔｉ）接着層を用いた。ガラス基板上のＳＵ８に対しては、パターニングプロセスを通してＡｕがＳＵ８の表面に十分良好に接着するため、Ｔｉ接着層は不要であった。ソース電極及びドレイン電極を画定するのに用いたパターンを図１に示す。各４インチ角のパネルを８列４行にわたってパネル上に分配される３２個の単位セルに分割した。各セル内のＯＴＦＴ（有機薄膜トランジスタ）は５００個までとし、解像度が１００ｐｐｉ（ピクセル／インチ）のディスプレイバックプレーンに見られる密度と同様の密度でパックされるようにした。ＯＳＣ溶液のスピンコーティングの前に、１分間にわたりペンタフルオロベンゼンチオールの１０ｍＭ溶液を電極表面に付着し、その後2-プロパノールで洗浄した。有機半導体（ＯＳＣ）の配合物は、6,13-ビス(トリイソプロピレンエチルニル)ペンタセン（ＴＩＰＳ）^[1]、及び1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン溶媒（テトラリン）中のポリトリアリルアミン（ＰＴＡＡ）^[2]を含むものとした。電極形状が電流を流した状態のトランジスタの均一性に及ぼす影響を判断するために、複数の配合物を調製した。使用した配合物の詳細を表１に示す。ＯＴＦＴのスタックを完成するために、フルオロポリマー誘電体（ＦＣ４３溶媒中のCytop(登録商標)、旭硝子株式会社製）も５００ナノメートルの厚さにスピンコートした。最終的に、スパッタリング及びフォトリソグラフィ法によりＡｕのトップゲートをスタックの上に堆積し、パターン化して、ソース‐ドレイン電極及びＯＴＦＴのチャネルの上にゲートを正確に位置決めできるようにした。

ケースレーインスツルメンツ社の半導体パラメータ・アナライザ４２００をウェントワース社の半自動プローブステーションに接続して電気特性の評価を行った。試験対象の各配合物及び各電極形状に対して、基板全体にわたる異なる箇所にて最少で５０個のトランジスタを測定した。全てのＯＴＦＴについて、＋２０Ｖから−４０Ｖの範囲のゲート電圧Ｖ_Ｇを用い、−５Ｖの一定のドレイン-ソース間電圧Ｖ_ＤＳ（ソース接地）を印加しながら、対応するドレイン-ソース間の電流Ｉ_ＤＳの伝達特性を測定して試験を行った。各トランジスタの線形移動度μ_linは下記の式によって算出した。


上式で、Ｌはトランジスタ長を、Ｗはトランジスタ幅を、Ｃ_ｉは単位面積当りの誘電体容量を示す。オン電流は、ゲート-ソース間電圧Ｖ_ｇｓを−４０Ｖ、ドレイン-ソース間電圧Ｖ_ｄｓを−５Ｖとして各トランジスタにて測定された電流として定義した。ゲートリークを有する少数のデバイスを排除するために、ゲート-ソース間電圧Ｖ_ｇｓを−４０Ｖ、ドレイン-ソース間電圧Ｖ_ｄｓを−５Ｖとして、ゲート電流のソース-ドレイン間電流に対する比をとった。この比が１０以下の場合（すなわちゲート電流がソース-ドレイン間電流の１０％以上であった場合）には、そのデバイスは結果から除外した。表１は、ＰＴＡＡとＴＩＰＳとの様々な混合比の配合物及び線状電極又は波状電極の形状を用いて、３種類の基板について得た主な実験結果の概要を示す。成形した電極はＯＳＣ層が結晶質である場合にのみ効果的であることを実証するために、テトラリン中に４ｗｔ％のＰＴＡＡの配合物を用いた（ＰＴＡＡは非結晶質であり、チャネル配向の影響を受けない）。ＴＩＰＳを用いた全ての場合において、オン電流の標準偏差は、波状のトランジスタ形状を用いた場合の方が遥かに小さくなる。多くの場合に、波状トランジスタの標準偏差は線状トランジスタの半分以下である。非結晶質のＰＴＡＡ材料の場合、オン電流のばらつきは波状トランジスタ及び線状トランジスタの両方において同じ（実験誤差程度の範囲内）である。ＴＩＰＳ／ＰＴＡＡ配合物の実験結果のうち、Ｉ_ＯＮのばらつきが最少のもの（８．９％）はＰＴＡＡの場合の値（５．２％）に近いものとなっている。

注：線形移動度はチャネル形状によって影響を受けなかった。参考に、表１にて計測したデバイスの線形移動度の計算値を以下に示す。
ＴＩＰＳとＰＴＡＡとの割合を１対１とした配合物の場合の、ＰＥＮ上の平均線形移動度は０．７ｃｍ^２／Ｖ_Ｓであった。
ＴＩＰＳとＰＴＡＡとの割合を１対１とした配合物の場合の、ＳＵ８上（及びガラス上の）の平均線形移動度は０．４ｃｍ^２／Ｖ_Ｓであった。
ＴＩＰＳとＰＴＡＡとの割合を２対１とした配合物の場合の、ポリエチレンナフタレート上の平均線形移動度は０．３ｃｍ^２／Ｖ_Ｓであった。
ＰＴＡＡの場合の、ガラス上の平均線形移動度は０．００３ｃｍ^２／Ｖ_Ｓであった。
^*基板全体にわたって３００個以上のＯＴＦＴについて、１００個ずつ試験を行った。

Claims (10)

1. 電界効果トランジスタであって、
   ソース電極及びドレイン電極に対する様々な配列の半導体微結晶からなる半導体を含むチャネルにより分離されたソース電極及びドレイン電極を備え、
   前記半導体の導電率は、前記半導体並びに前記ソース電極及び前記ドレイン電極から絶縁されたゲート電極によって制御され、
   前記ゲート電極には、前記半導体の導電率を制御するために電位が印加され、
   前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各対向面の少なくとも一部は、前記チャネルを経て前記電極間に異なる方向の電流の流れを提供するように幾何学的に形成される、
   電界効果トランジスタ。
2. 前記ソース電極と前記ドレイン電極とを分離する前記チャネルの長さは、ほぼ均一であり、その全幅にわたって湾曲している、請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
3. 前記チャネルは、交互に連結された反転円が存在する割円形状である、請求項１又は２のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
4. 前記ソース電極及び前記ドレイン電極の各対向面は、様々な接面を有するように輪郭付けされている、請求項１又は２のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
5. 前記チャネル長は、最長で２０μｍ、好適には最長で１０μｍである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
6. 半導体微結晶の結合剤を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
7. 前記結合剤は、半導体特性を有し、非結晶質である、請求項６に記載の電界効果トランジスタ。
8. 前記半導体は、溶液として堆積され乾燥される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
9. 前記半導体は、好適にはトリアルキルシリルエチニル基で置換されるペンタセン等の、好適には置換ポリアセンの微結晶を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
10. ポリトリアリールアミンの結合剤を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。