JP2014530490A - 有機電界効果トランジスタ - Google Patents
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Abstract
プラスチック材料で作られた少なくとも１つの下部基板（２）と、前記プラスチック基板（２）上に堆積された、それぞれソース電極（３）及びドレイン電極（４）である２つの電極（３、４）と、有機半導体材料で作られ、前記電極（３、４）及び前記プラスチック基板（２）上に堆積された半導体層（５）と、前記半導体層（５）上に堆積された誘電体層（６）と、前記誘電体層（６）上に形成されたゲート電極（７）と、を含む有機トランジスタ（１）。それはさらに、前記プラスチック基板（２）と前記半導体層（５）との間に延在する多孔質層（９）を含み、前記多孔質層（９）は少なくとも前記ソース（３）及びドレイン（４）電極の間に延在し、前記プラスチック基板（２）の表面の誘電率を低下させる。
Description
本発明は、例えば有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）などの有機トランジスタの分野に関し、より具体的には、プラスチック基板の表面の誘電率を低下させることができる手段を含む有機トランジスタに関する。
図１は、いわゆる「高ゲート」及び「低接触」構造を有する、従来技術の有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）１を示す。トランジスタ１は、それぞれソース電極３及びドレイン電極４である２つの電極３、４がその上に形成された下部基板２を備える。半導体層５は、下部基板２上、かつソース及びドレイン電極３及び４上に堆積される。最終的に、誘電体層６が半導体層５上に堆積され、その上にゲート電極７が形成される。
トランジスタ効果は、それ自体既知であるように、ゲート電極７と下部基板２との間に電圧を印加し、半導体層５においてソース電極３とドレイン電極４との間の伝導チャネル８を生成することによって得られる。
しかしながら、このような有機トランジスタの性能は、半導体層５、誘電体層６並びにソース及びドレイン電極３及び４の間の界面の化学的特性に強く依存する。
実際に、下部基板２を形成するポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）などのフレキシブル基板の誘電率は、通常３より大きく（略３．５）、故に半導体層５において電気的ストレスを発生させ、かつ／又は下部基板／半導体層界面において電荷のトラッピング（いわゆる漏れ経路）を作り出し、それはこのような「高ゲート」有機トランジスタの性能を強く妨げる。
フレキシブルポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）基板は、それらの表面において、電気的中性ではなく（正又は負の電荷を帯びており）、かつこのような有機トランジスタの半導体層５における電気伝導を強く変更する、高濃度の双極子（酸ＣＯＯＨ基、極性ＯＨ−基、フッ素基）を有する。
界面及び下部基板２の高誘電率の問題を解消するために、下部基板２と半導体層５並びにソース及びドレイン電極３及び４との間に自己組織化単層ＳＡＭを堆積すること、かつこれが基板２の影響を制限することが知られている。
このような有機電界効果トランジスタ構造は特に、非特許文献１に記載されている。
従来技術の電界効果トランジスタを説明する図２は、図１のトランジスタの構造を示すが、下部基板２と半導体層５並びにソース及びドレイン電極３及び４との間に配置された自己組織化単層８をさらに含む。
図４を参照すると、ＰＯＬＹＥＲＡによってＡｃｔｉｖＩｎｋ Ｎ１４００との商品名で販売されているＮ，Ｎ’−ジアルキル置換−（１，７＆１，６）−ジシアノペリレン−３，４：９，１０−ビス（ジカルボキシイミド）（ｎ−チャネル）の誘導体で作られた、あるいは、ポリ（トリアリールアミン）若しくはＰＴＡＡと呼ばれるポリ［ビス（４−フェニル）（２，４，６−トリメチルフェニル）アミン］（Ｐ−チャネル）で作られた半導体層５、及び幾つかの自己組織化単層（ＳＡＭ）（図３を参照すると、アルキル／フェニル−アミノ（例１及び２）、アルキル（例３及び４）、及びハロアルキル（例５及び６）の官能基を含む）において、幾つかの試験が実施されている。
図５Ａ及び５Ｂに見られるように、このような有機トランジスタの電気的性能は、半導体層５の性質及び／又は自己組織化単層（ＳＡＭ）８の性能がどのようなものであろうと、変更又はシフトされる。
本発明の目的の１つは故に、単純な設計、低コストを有するＯＴＦＴ型有機電界効果トランジスタを提供し、かつこのような有機トランジスタの性能変更を制限することによって、このような欠点を解消することである。
この目的のために、本発明は、プラスチック材料で作られた、プラスチック基板と呼ばれる少なくとも１つの下部基板と、プラスチック基板上に堆積された、それぞれソース電極及びドレイン電極である２つの電極と、有機半導体材料で作られ、かつ電極及びプラスチック基板の上部にそれらと接触して堆積された半導体層と、誘電材料で作られ、かつ半導体層上に堆積された誘電体層と、誘電体層上に形成されたゲート電極と、を含む有機トランジスタを提供する。
この有機トランジスタは、プラスチック基板と半導体層との間に延在する多孔質誘電材料で作られた層をさらに含み、前記多孔質層は少なくとも伝導チャネルの下、つまりソース及びドレイン電極の間に延在し、前記プラスチック基板の表面の誘電率を低下させる。
下部基板と半導体層並びにソース及びドレイン電極との間のこの多孔質層の堆積は、誘電率、つまりプラスチック基板と半導体層との間の誘電率を顕著に低下させることができ、それは一方で、電気的ストレスの発生を回避することができ、他方で、有機トランジスタの良好な性能を維持することができる。
好ましくは、多孔質層の孔は、５０ナノメートルより小さい直径を有する。
多孔質層の末端基は、有利には非極性であり、半導体層は低い粗度を有する。
好ましくは、多孔質層は、２．５より低い誘電率を有する。
さらに多孔質層は、アクリレートモノマー及び／又は少なくとも１つのその誘導体から、ポリスチレン、ポリビニルフェノール若しくはその混合物から得られる。
それは、フォトリソグラフィエッチマスクを介したメチルメタクリレートの光架橋によって得られ得る。
それはまたシランから得られ得るか、又は多孔質シリカで形成され得る。
それはさらに、ゾル−ゲル法によって得られた多孔質アルミナで作られ得る。
前述のかつ他の特徴及び利点は、本発明による有機電界効果トランジスタの特定の実施形態の以下の非限定的な説明において、添付の図面と関連して詳細に議論される。
明確性のために、以下の説明では、異なる図面において同一の要素は同一の参照符号で示される。さらに、様々な断面図は、必ずしも縮尺通りではない。
図６を参照すると、本発明によるＯＴＦＴ型トランジスタ１は、プラスチック基板２と呼ばれるプラスチック材料で作られた下部基板を含み、その上部面に多孔質材料で作られた多孔質層９が堆積される。
前記プラスチック基板２は、以下のリスト：ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）など、又は当業者によってよく知られている他の任意のプラスチック材料などのポリマーから選択されるプラスチック材料で作られる。
多孔質層９は、２．５より低い誘電率、極性双極子を有さない中性基を含む安定な化学構造、つまり非極性構造を有する誘電材料で作られる。従って、前記多孔質層９は電気的に中性であるが、それは、それが電子ドナー又は陽性基を含まないからである。
さらに、多孔質層９の孔は好ましくは、５０ナノメートルより小さい直径を有する。重要なのは、低い粗度（Ｒａ≦１５ナノメートル）を有する半導体の最終又は末端面を得ることである。孔サイズは故に、半導体層の厚さに応じて選択される：実際に、層が厚くなるにつれてその末端面がその初期の支持体の粗度をあまり反映しなくなることがよく知られている。
例えば、１４０ｎｍ厚の半導体層に対して、５０ナノメートル以下の孔径が許容される。
同様に、８０ｎｍ厚の半導体層に対して、２０ナノメートル以下の孔径が許容される。
最後に、５０ｎｍ厚の半導体層に対して、１０ナノメートル以下の孔径が許容される。
好ましくは、多孔質層９は、アクリレートモノマー及び／又は少なくとも１つのその誘導体から、かつ好ましくはフォトリソグラフィマスクを介したメチルメタクリレートの光架橋によって、及び／又はシランから、及び／又は多孔質シリカから、及び／又はゾル−ゲル法によって得られた多孔質アルミナから、及び／又は当業者によって知られている任意の他の適切な材料から得られる。エマルション、偏析（ｄｅｍｉｘｉｎｇ）、又はマスクを介した直接堆積などの他の方法もまた実行され得る。
多孔質層９は、スピンコーティング、拡散（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）、シルクスクリーニング、又は印刷、例えばあるいはグラビア印刷、フレクソグラビア（ｆｌｅｘｏｇｒａｖｕｒｅ）、又はインクジェットなどの当業者によってよく知られている任意の方法によって、プラスチック基板２上に堆積され得る。
トランジスタはさらに、多孔質層９上に堆積された２つの電極３、４、ソース電極３及びドレイン電極４を含む。半導体層５は、多孔質層９、ソース電極３及びドレイン電極４上に堆積される。誘電体層６は半導体層５上に堆積される。最後に、ゲート電極７が前記誘電体層６上に堆積される。
ソース及びドレイン電極３及び４は例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、金、クロムなどの金属、又は金属粒子、インジウムスズ酸化物、インジウム亜鉛酸化物などの金属酸化物、あるいは３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン−ポリスチレン、スルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）、ポリアニリンなどの導電性ポリマー、ドープされたシリコン材料、又は当業者によってよく知られている任意の他の適切な導電材料で作られる。
半導体層５は例えば、以下のリスト：テトラセン、ペンタセン、フタロシアニンなどの半導体有機分子、ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレンなどの半導体ポリマー、又はポリ（３−オクチル）、チオフェン、ポリ［２−メトキシ−５−（２’−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−］、フェニレン、ビニレンなどのその誘導体、あるいはα−セキシチオフェンなどのオリゴマー、から選択される材料で作られた有機半導体層で形成される。
しかしながら、半導体層５はまた、本発明の文脈を逸脱することなく、例えばシリコン若しくはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）又はＺｎＯなどの当業者によってよく知られている半導体無機材料で作られ得る。
誘電体層６は、例えば以下のリスト：二酸化ケイ素、窒化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウム、ポリイミド、ポリビニル、ピロリドン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、パリレン、ポリスチレン、フルオロポリマー、又は当業者によってよく知られている任意の誘電材料、から選択された材料で作られる。
下部基板２と半導体層５並びにソース及びドレイン電極３及び４との間の多孔質層９の堆積により、誘電率、つまりプラスチック基板２と半導体層５との間の誘電率を顕著に低下させることができる。このことは、電気的ストレス及び電荷トラッピングの発生を回避することを可能にし、有機トランジスタの良好な性能を維持する。
例えば、マスクを介した光架橋によってポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）で作られたプラスチック層２上に堆積される多孔質メチルメタクリレート層９の堆積により、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）の誘電率を低下すること、通常３から１．５にすることができる。
この特定の実施形態では、多孔質層９がプラスチック基板２上の全体に堆積されること、つまりそれが前記プラスチック基板２の上部全体を覆うことに注意すべきである。しかしながら、本発明の分野から逸脱することなく、ソース及びドレイン電極３及び４の間に延在する半導体層５の伝導チャネル１０の下に多孔質層を堆積させることのみも可能である。
一方では本発明による多孔質層９を含む有機電界効果トランジスタに対する、他方では多孔質層９を含まない従来技術の有機電界効果トランジスタに対する、ゲートとソースとの間の電圧に応じたドレインとソースとの間で測定された電流強度を示す曲線である図７に見られるように、本発明によるトランジスタの前記多孔質層は、従来技術のトランジスタとは異なり、前記トランジスタの性能を維持することができる。実際に、従来技術の電界効果トランジスタでは、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）で作られたプラスチック基板２の表面が電子を引き付け、プラスチック基板２の表面に存在する様々なタイプの双極子がトランジスタ曲線を２つのモード、つまり直線モード及び飽和モードに強くシフトするが、それは、２つの状態の曲線がシフトも変更もされない本発明によるトランジスタに生じる現象とは異なる。
１ 有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）
２ 下部基板
３ ソース電極
４ ドレイン電極
５ 半導体層
６ 誘電体層
７ ゲート電極
８ 自己組織化単層（ＳＡＭ）
９ 多孔質層
２ 下部基板
３ ソース電極
４ ドレイン電極
５ 半導体層
６ 誘電体層
７ ゲート電極
８ 自己組織化単層（ＳＡＭ）
９ 多孔質層
Claims (10)
- プラスチック基板（２）と呼ばれる、プラスチック材料で作られた少なくとも１つの下部基板と、前記プラスチック基板（２）上に堆積された、それぞれソース電極（３）及びドレイン電極（４）である２つの電極（３、４）と、有機半導体材料で作られ、前記電極（３、４）の上部かつそれらと接触して、並びに前記プラスチック基板（２）の上部に堆積された半導体層（５）と、誘電材料で作られ、前記半導体層（５）上に堆積された誘電体層（６）と、前記誘電体層（６）上に形成されたゲート電極（７）と、を含む有機トランジスタ（１）であって、それはさらに、誘電材料で作られ、前記プラスチック基板（２）と前記半導体層（５）との間に延在する多孔質層（９）を含み、前記多孔質層（９）は、少なくとも前記ソース（３）及びドレイン（４）電極の間の領域の下に延在し、前記プラスチック基板（２）の表面の誘電率を低下させる、有機トランジスタ（１）。
- 前記多孔質層（９）の孔は５０ナノメートルより小さい直径を有する、請求項１に記載の有機トランジスタ。
- 前記半導体層（５）は１５ナノメートル以下の粗度を有する、請求項１又は２に記載の有機トランジスタ。
- 前記多孔質層（９）の末端基は非極性である、請求項１から３の何れか１項に記載の有機トランジスタ。
- 前記多孔質層（９）は２．５より低い誘電率を有する、請求項１から４の何れか１項に記載の有機トランジスタ。
- 前記多孔質層（９）は、アクリレートモノマー及び／又は少なくとも１つのその誘導体から、あるいはポリスチレン、ポリビニルフェノール、若しくはその混合物から得られる、請求項１から５の何れか１項に記載の有機トランジスタ。
- 前記多孔質層（９）はマスクを介したメチルメタクリレートの光架橋によって得られる、請求項６に記載の有機トランジスタ。
- 前記多孔質層（９）はシランから得られる、請求項１から５の何れか１項に記載の有機トランジスタ。
- 前記多孔質層（９）は多孔質シリカで作られる、請求項１から５の何れか１項に記載の有機トランジスタ。
- 前記多孔質層（９）は、ゾル−ゲル法によって得られた多孔質アルミナで作られる、請求項１から５の何れか１項に記載の有機トランジスタ。
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