JP2015515754A - 有機電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ソース電極及びドレイン電極を提供する、第１電極（１）及び第２電極（２）と、前記第１電極及び前記第２電極（１，２）と電気的に接触している真性有機半導電層（３）と、ゲート電極（６）と、前記ゲート電極（６）と前記真性有機半導電層（３）との間に備えられているゲート絶縁体（５）と、有機マトリックス材料及び有機ドーパントを含み、前記ゲート絶縁体（５）と前記真性有機半導電層（３）との間に備えられているドープ有機半導電層（４）と、を含み、前記第１電極と前記第２電極（１，２）との間の電荷キャリアチャンネルが、前記ドープ有機半導電層（４）内に形成されている、有機電界効果トランジスタに関する。さらに、本発明は、有機電界効果トランジスタの製造法にも関する。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、有機電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。

〔発明の背景〕
１９８０年代における有機電界効果トランジスタ（ＯＦＥＴ）の発明以来、その性能を継続的に改良することができた。最近は、ＯＦＥＴはｅ−ｉｎｋディスプレイ、印刷されたＲＦＩＤタグ、及びフレキシブルエレクトロニクスを駆動させるために使用されている。シリコン技術と比べたＯＦＥＴの利点は、広範囲における、低処理温度での薄くて柔軟な回路の実現可能性である。

一般的には、有機電界効果トランジスタは、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を含む。さらに、ＯＦＥＴは、有機半導体及び前記有機半導体から前記ゲート電極を引き離すゲート絶縁体を含む。

これまでの進歩にも関わらず、広範囲にわたるＯＦＥＴの応用は、それらの低い性能及び安定性に起因して未だ限られている。しかしながら、先進的なＯＦＥＴ構造の開発による改良への大きな可能性が存在している。

有機ドーピング技術は高効率光電子デバイスへの基幹技術として示されてきたが、有機トランジスタにおけるドープ有機層の使用はそれほど一般的ではない。

ＯＦＥＴの性能を向上させるために、３つの異なるアプローチが存在する。

例えば、ソース電極及びドレイン電極において、接触抵抗を減らすためにドーピングが使用される。金属電極と有機半導体との間に存在する薄いｐ−ドープ層又はｎ−ドープ層は、オーム接触を形成する。オーム接触はトンネル電流を増加させ、また電荷キャリアの注入を向上させる。

いくつかのグループが、ＯＦＥＴ性能におけるチャンネル“ドーピング”の効果を報告している。例えば、酸化物表面においてＣａの単層を用いて、ペンタセントランジスタをｐ型からｎ型へ変換することが可能である。単層は絶縁層の表面を完全に覆い、そして局所的“偽−ドーパント”として作用する。Ｃａと絶縁層との間での電荷キャリア移動は存在しない。その代わりに、単層内のＣａ原子によって電場が発生する。Ｃａ単層は、有機半導体とゲート絶縁体との間の境界面において、電子トラップを満たす。大気安定性のｎ−ドーパントによってｎ−ＯＦＥＴのチャンネルを“ドーピング”することによって、ｎ型のトランジスタの大気安定性が増加することが示されている。

さらに、ドーピング濃度によって閾値電圧が変化し得ることが報告されている。Meijer et al. Journal of Applied Physics, vol. 93, no. 8, p. 4831, 2003は、重合体トランジスタにおける酸素曝露によるドーピング効果を研究した。スイッチオン電圧（フラットバンド電圧）の変化は観察されたが、著者らによれば、その効果はドーピングとは関係していなかった。同様に、他の著者らもドーパントを適用することによって閾値電圧の同様の変化を発見したが、この効果はしばしばチャンネルドーピングよりも接触ドーピングの影響にやや関係している。

反転ＦＥＴは通常、オフの状態であり、トランジスタをオンの状態に替えるには印加されたゲート電圧によって反転チャンネルが形成されなければならない。反転ＦＥＴはＣＭＯＳ回路内で使用され、全ての集積回路の中で最も基本的な構成要素である。有機ＭＩＳ（金属絶縁体半導体）キャパシタでは、反転体制は達成できないことが知られている。しかしながら、ソース電極及びドレイン電極において少数キャリアが注入される場合には、ＦＥＴ構造内に反転チャンネルが形成され得ることが、シミュレーションによって予測されている。Huang et al. Journal of Applied Physics, vol. 100, no. 11, p. 114512, 2006は、コロナ放電による有機層の堆積より前にゲート絶縁体をチャージすることによって、通常ではｎ−伝導性の真性材料がｐ−伝導性となり得ることを証明することができた。

米国特許出願公開第2010/0096625号公報は、ソース電極及びドレイン電極が配置されている基板を含む有機電界トランジスタを開示している。半導電層は電極の上面に堆積し、電極と電気的に接触した状態となっている。半導電層は下副層及び上副層によって構成されている。上副層の上面に、誘電体層及びゲート電極が備えられている。半導電層の半導体材料は、ナノチューブ又は伝導性ケイ素フィラメント等の無機粒子を含んでいてもよい。下副層及び上副層はｎ型又はｐ型であり得、同じ種類のドーピングを有することができる。

米国特許第5,629,530号には、ソース領域とドレイン領域とその間に挟まれたｎ型チャンネル領域とを有する電界効果トランジスタが開示されている。チャンネル領域は、絶縁層によってチャンネル領域から隔離されたゲート電極に備えられている。

米国特許出願公開第2006/0033098号公報には、有機薄膜トランジスタが記載されている。このトランジスタは、基板と、ゲート電極と、当該ゲート電極全体を覆うゲート誘電体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、活性チャンネル層と、ソース界面層とを含む。ソース電極と活性チャンネル層との間の電位障害は、活性チャンネル層内に剤を加えることによって低減される。

欧州特許出願公開第2 194 582号公報には、基板と、ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、絶縁体層と、有機半導電層と、当該有機半導電層と当該絶縁体層との間に配置されたチャンネルコントロール層とを有する有機薄膜トランジスタが記載されている。チャンネルコントロール層は、５．８ｅＶ未満のイオン化ポテンシャルを有する無定形の有機化合物を含む。

米国特許出願公開第2003/0092232号公報には、さらなる電界効果トランジスタが開示されている。

〔発明の概要〕
本発明の目的は、最適化された動作パラメータを有する有機電界効果トランジスタを提供すること、及びこのトランジスタの製造方法を提供することである。特に、調整可能な閾値電圧を有する有機電界効果トランジスタを提供することが、本発明の目的である。本目的は、請求項１の有機電界効果トランジスタ、及び、請求項１６の電界効果トランジスタの製造方法によって達成される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明の一側面によれば、有機電界効果トランジスタが提供される。前記トランジスタは、ソース電極及びドレイン電極を提供する電極である第１電極及び第２電極、第１電極及び第２電極と電気的に接触している真性有機半導電層、ゲート電極、ゲート電極と真性有機半導電層との間に存在するゲート絶縁体、及び、有機マトリックス材料と有機ドーパントとを含むドープ有機半導電層を含んでいる。ドープ有機半導電層は、ゲート絶縁体と真性有機半導電層との間に配置されている。電荷キャリアチャンネルは、ドープ有機半導電層における第１電極と第２電極との間に形成されている。

本発明の他の側面によれば、有機電界効果トランジスタの製造方法であって、以下の工程を含む方法が提供される。基板を用意する工程と、前記基板を電極材料でコーティングして、ゲート電極を形成する工程と、絶縁材料を堆積させて、絶縁層を形成する工程と、有機マトリックス材料と有機ドーパント材料とを同時蒸着させて、ドープ有機半導電層を形成する工程と、有機材料を堆積させて、真性有機半導電材料を形成する工程と、他の電極材料を堆積させて、前記真性有機半導電層と電気的に接触している第１電極及び第２電極を形成する工程と、を含む方法。

この発明によって、トランジスタの閾値電圧を調整することが可能である。２つのパラメータが閾値電圧を決定する：ドープ有機半導電層の厚さとドープ有機半導電層内の有機ドーパント濃度とである。トランジスタの製造中に、１つ又は両方のこれらのパラメータに関して特定の値を選択することによって、閾値電圧を広範囲で調節可能である。層の厚さとドーピング濃度との間には、相互関係がある。高いドーピング濃度は、チャンネル内で多量の電荷キャリアをもたらす。このような場合には、トランジスタのオフ状態を可能にするために、ドープ有機半導電層は薄いことが好ましい。

ドープ有機半導電層の厚さ、及びドープ有機半導電層内の有機ドーパントの濃度は、ゲート境界面で、電荷キャリアのチャンネル状導体が可能なように設計されていることが好ましい。ドープ有機半導電層は、可変的な閾値電圧Ｖ_ｔｈを実現するように構成されている。トランジスタの閾値電圧はドーピング濃度によって自由に設定される。ドープ有機半導電層の厚さは、浸透層（percolated layer）を形成するために十分な厚さがあることが好ましく、閉鎖層（closed layer）を形成するために十分な厚さがあることがより好ましい。浸透層は、層を形成する材料からなる島状構造を含む層であり、層内の電気経路を可能とするために、島状構造の密度は十分な高さがある。例えば、第１電極と第２電極との間での導電経路を可能として浸透層を形成するためには、ドープ有機半導電層内で、有機マトリックス材料及び有機ドーパントから作られた島状構造の密度は十分に高くなければならない。閉鎖層は、層材料の中に妨害物質を有さない層である。閉鎖層には、層材料を含まない領域は存在しない。

ドープ有機半導電層の厚さ及びドープ有機半導電層内のドーパント濃度は、高Ｉ_ＤＳ（ドレイン電極とソース電極との間の電流）が可能で、かつ通常の電圧動作条件下で少なくとも４桁のＯＮ／ＯＦＦ比率が可能となるよう、構成されることも可能である。好ましいのは、ＯＮ／ＯＦＦ比率が５桁より高いことである。

好ましくは、有機ドーパントは、ドープ有機半導電層の境界面に堆積している代わりに、ドープ有機半導電層のマトリックス材料内に空間的に分布しているのが良い。更に好ましいのは、ドーパントの分布が、層の各次元の方向に沿って均質な状態である。対照的に、従来技術ではドープ有機半導電層とゲート絶縁体との間の境界面に、ドーパント材料の単一層を適用することが知られているのみであった。この状態は閾値電圧の恒常的なシフト、例えば、５Ｖのシフトを起こす。なぜならドーパント材料の濃度は単一層内において固定されているため、他の値による閾値電圧のシフト、又はより細かな調節は不可能である。

マトリックス材料（ホスト）／ドーパント系は、一般的にマトリックス及びドーパント材料のエネルギーレベルの観点から選ばれる。ホストとドーパントの好ましい組み合わせでは、ドーピングのために必要とされる活性化エネルギーは５０ｍｅＶ未満である。そのような活性エネルギーは、温度依存性の静電容量−電圧の計測によって決定され得る。低活性エネルギーは、反転ＦＥＴにおいて、温度と独立した閾値電圧を保証するゆえに好ましい。

有機ドーパントは、有機材料から成るドーパントである。好ましくは電気的なドーパントである。マトリックス材料内に電気的な有機ドーパントを供することは、ドーパントとマトリックス材料との間の電荷移動を導く。電気的なドーパントは、ｐ型ドーパント（酸化反応）及びｎ型ドーパント（還元反応）に分類されている。電気的なドーピングは当該分野でよく知られており、代表的な参考文献は、Gao et al, Appl. Phys. Lett. V.79, p.4040 (2001)、Blochwitz et al, Appl. Phys. Lett. V.73, p.729 (1998)、D'Andrade et al. App. Phys. Let. V.83, p. 3858 (2003)、Walzer et al. Chem. Rev. V. 107, p.1233 (2007)、米国特許出願公開2005040390号公報、米国特許出願公開2009179189号公報である。好ましいｐ型ドーピング化合物は、シアノ基を含む有機分子である。

代表的なｐ型ドーパントは：
− テトラフルオロ−テトラシアノキノンジメタン（Ｆ４ＴＣＮＱ）、
− ２，２’−（パーフルオロナフタレン−２，６−ジイリデン）ジマロノニトリル、
− ２，２’，２''−（シクロプロパン−１，２，３−トリイリデン）トリス（２−（ｐ−シアノテトラフルオロフェニル）アセトニトリル）、及び、
− ２，２’，２''−（シクロプロパン−１，２，３−トリイリデン）トリス（２−（２，６−ジクロロ−３，５−ジフルオロ−４−（トリフルオロメチル）フェニル）アセトニトリル）、
− ２，２’，２''−（シクロプロパン−１，２，３−トリイリデン）トリス（２−（パーフルオロフェニル）アセトニトリル）、
− ２，２’，２''−（シクロプロパン−１，２，３−トリイリデン）トリス（２−（２，６−ジクロロ−３，５−ジフルオロ−４−（トリフルオロメチル）フェニル）−アセトニトリル）、及び、
− ３，６−ジフルオロ−２，５，７，７，８，８−ヘキサシアノキノジメタン（Ｆ２ＣＮ２ＴＣＮＱ又はＦ２−ＨＣＮＱ）。

代表的なｎ型ドーパントは次の通りである：
− アクリジンオレンジベース（ＡＯＢ）、
− テトラキス（１，３，４，６，７，８−ヘキサヒドロ−２Ｈ−ピリミド［１，２−ａ］ピリミジナト）ジタングステン(II)（Ｗ２（ｈｐｐ）_４）、
− ３，６−ビス−（ジメチルアミノ）−アクリジン、及び、
− ビス（エチレン−ジチオ）テトラチアフルバレン（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）。

好ましいホストとド−パントの組み合わせは、表１である：

真性有機半導電層には、ドーパント材料が含まれていないことが好ましい。より好ましいのは、真性有機半導電層が１種類の有機材料から作られていることである。もしドーパントが存在していなければ、この材料はマトリックス材料とも呼ばれ得る。

真性有機半導電層及び／又はドープ有機半導電層は、下記の構造の１つを持つマトリックス材料を含み得る：結晶、多結晶、アモルファス及びそれらの組み合わせ。

優先的には、ドープ有機半導電層は、ゲート絶縁体と直接接触した状態である。あるいは、パッシベーション層が、ゲート絶縁体とドープ有機半導電層との間に配置され得る。これにより、ゲート絶縁体表面における電子捕獲が回避可能である。

ゲート絶縁体の材料（酸化物であり得る）は、原子層堆積法によって堆積され得る。第１電極及び第２電極と同様に、ゲート電極の電極材料も、真空熱蒸発（ＶＴＥ）によって堆積され得る。あるいは、導体ペーストを付与している間に、この電極材料がインクジェット印刷されてもよい。好ましくは、ＯＦＥＴを構成する各層、すなわちゲート電極、及び／又は、第１電極、及び／又は、第２電極、及び／又は、真性有機半導電層、及び／又は、ドープ有機半導電層、及び／又は、絶縁層が、シャドウマスクによって構成され得る。この代わりに、又は補助的に、ＯＦＥＴを構成する各層は、光リソグラフィによって構成され得る。真性有機半導電層のための有機材料は、超高真空（ＵＨＶ）条件下で、熱蒸着によって選択的に堆積され得る。好ましい一実施形態では、同じシャドウマスクを用いて、第１電極及び第２電極を構成する他の電極材料を堆積させるに先立ち、真性有機半導電層を構成する有機材料が堆積される。このようにして、第１電極及び第２電極への電荷キャリアの効率的な注入が保証される。あるいは、ブレードコーティング、スピンコーティング及びスプレーコーティング等の溶液ベースの方式によって、有機電界効果トランジスタは製造され得る。好ましくは、このトランジスタはロールツーロールコーティングによって製造される。

好ましい一実施形態では、真性有機半導電層及びドープ有機半導電層は、同じマトリックス材料からなる。あるいは、真性有機半導電層及びドープ有機半導電層は、互いに異なったマトリックス材料からなってもよい。

本発明の好ましい他の一実施形態では、正孔輸送材料及び電子輸送材料を含む混合層が、少なくとも第１電極及び第２電極の何れかと電気的に接触した状態で供される。この混合層は、正孔輸送材料及び電子輸送材料（例えば、それぞれ順にペンタセン又はＣ６０）の共蒸着層によって実現され得る。

好ましい一実施形態では、ドープ有機半導電層の厚さは１ｎｍから２０ｎｍの間である。好ましくは、ドープ有機半導電層の厚さは２ｎｍから１０ｎｍの間である。好ましくは、真性有機半導電層は少なくとも１ｎｍの厚さを有し、より好ましくは少なくとも２ｎｍである。真性有機半導電層は、好ましくは少なくとも浸透層を形成するだけの厚さを有し、より好ましいのは閉鎖層を形成するだけの厚さを有することである。

好ましい別の実施形態では、真性有機半導電層とドープ有機半導電層とは、互いに直接接触状態にある。

好ましい一実施形態では、下記の群から選択される少なくとも１つの電極が金属材料から作られている：第１電極、第２電極、及びゲート電極。ゲート電極は、例えばＡｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｐｔ等の大部分の金属から形成され得る。もし第１電極及び／又は第２電極が電子注入を行うべきものであれば、それ／それらはＴｉ又はＡｌのような仕事関数の低い金属によって作られ得る。もし第１電極及び／又は第２電極が正孔注入を行うべきものであれば、それ／それらはＡｕ、Ａｇ、ＩＴＯのような仕事関数の大きい金属によって作られ得る。

さらに他の実施形態では、ドープ有機半導電層は、４重量％までのドーパント濃度を有する。好ましくは、ドーパント濃度は、０．５重量％と４重量％との間である。より好ましくは、ドーパント濃度は、０．５重量％と２重量％との間である。ドープされた層のドーピング濃度は、目標とする閾値電圧に依存して選択されなければならない。例えば、０．５重量％のｎ型ドーピング濃度は、１０Ｖの閾値電圧を結果として生じさせ、１重量％のｎ型ドーピング濃度は、２０Ｖの閾値電圧を導く（図５ｃ及び式１を参照）。トランジスタ内の寄生的な漏出電流を減少させるためには、ドープ有機半導電層は可能な限り薄くなければならない。一方で、ドープ有機半導電層は、浸透層、より好ましくは閉鎖層を形成するに十分な厚みを有しなければならず、かつ、このドープ有機半導電層内のフェルミ準位を制御するに十分な厚みを有しなければならない。

好ましい一実施形態では、注入層は、第１電極及び第２電極の少なくとも一方に隣接して設けられる。注入層は、第１電極及び／又は第２電極それぞれから電荷キャリアチャンネル内への電荷キャリアの注入を向上させる。注入層は、各電極に隣接して設けられてもよい。（複数であってもよい）注入層は、真性有機半導電層に直接接触した状態であってもよい。この代わりに、又は補助的に、ペンタセン等の粗い多結晶質材料上に、（複数であってもよい）注入層又は第１及び第２電極を蒸着することによって、混合層が形成され得る。（複数であってもよい）注入層、又は、第１及び／又は第２電極が、半導体の微結晶と混合層との間の溝を埋める。

好ましい他の実施形態では、注入層はドーパント材料を含む。好ましくは、ドーパント材料は、電気的なドーパントである。優先的には、ドーパント材料は、有機ドーパントである。注入層は、マトリックス材料及びドーパント材料を含むことがある。優先的には、注入層は、純粋なドーパント材料から構成され、第１及び／又は第２電極に隣接したドーパント材料の単一層として配置され得る。あるいは、注入層は、ドーパント材料によってドープされたマトリックス材料によって形成された部位と、純粋なドーパント材料によって形成された別の部位とを含むことがある。（複数であってもよい）注入層のマトリックス材料と真性有機半導電層のマトリックス材料とは、同じであることが好ましい。

さらに他の好ましい実施形態では、注入層のドーパント材料は、ドープ有機半導電層のドーパントとは反対の型である。この実施形態によって、反転型ＯＦＥＴが実現される。注入層内のｐ型ドーパント材料に対して、ドープ有機半導電層はｎ型にドープされなければならず、注入層内のｎ型ドーパント材料に対して、ドープ有機半導電層はｐ型にドープされなければならない。これによって、閾値電圧のシフトを増加させる解決策が提供される。反転ＦＥＴの閾値電圧Ｖ_ｔｈのシフトは、以下に表される。

ここで、Φ_Ｆは、真性フェルミ準位の位置と、ドープ後の有機層のフェルミ準位の位置との間のエネルギー格差で、Ｖ_ＳＢはソース・バルク間の電圧で、Ｃ’_ＯＸはゲート静電容量（単位面積あたり）で、Ｎ_Ｄはドーピング濃度で、ε_ｒは有機層の誘電率で、ε_０は真空の誘電率で、ｅは素電荷である。誘電率は、有機半導体の分極率に関係している。有機材料における典型的なε_ｒの値は、２．５から７の間で異なる。閾値電圧のシフトにおけるドーピングの影響は、反転型ＯＦＥＴに関する方が、減損型ＯＦＥＴｓに関する方に比べ、非常に強いのが明らかである。

第１電極及び第２電極は、真性半導電層内に電子又は正孔を注入することができる。

本発明の反転型の有機電界効果トランジスタは、従来技術に対して以下の利点を有する。
− ドープ有機半導電層内のドーピング濃度によって、閾値電圧を正確に調整できる。
− ドープされたチャンネルであるにも関わらず、このトランジスタは大きなＯＮ／ＯＦＦ比率を示す。
− 線形領域内にある、所定のゲート電圧での電流は、ドーピング濃度によって調整できる。
− このトランジスタ構造は、標準的な真空ベース又は溶液ベースの蒸着プロセスによって処理され得る。
− このトランジスタ構造は、シャドウマスク、リソグラフィ、インクジェット印刷、レーザー構築、又は他の構築方法によって、その横寸法において自在に拡大及び縮小が可能である。

好ましい一実施形態では、少なくとも第１電極及び第２電極の一方、及び注入層が、電荷キャリアチャンネル内に少数電荷キャリアを注入するよう形成されている。電荷キャリアの種類は、ドープ有機半導電層のドーピングの種類に応じて規定される。ドープ有機半導電層がｎ型ドーパントによってドープされている場合は、多数電荷キャリアは電子で、少数電荷キャリアは正孔となる。ドープ有機半導電層がｐ型ドーパントによってドープされている場合は、多数電荷キャリアは正孔で、少数電荷キャリアは電子となる。

好ましい一実施形態によれば、ドープ有機半導電層は、少数電荷キャリアチャンネルを形成するように構成されている。少数電荷キャリアは、少数電荷キャリアチャンネルを通じて、第１電極と第２電極との間を移動することができる。少数電荷キャリアは、第１電極から第２電極へ、また逆方向へも移動することができる。

さらに好ましい一実施形態によれば、注入層のドーパント材料は、ドープ有機半導電層のドーパントと同じタイプである。この実施形態により、減損型ＯＦＥＴが実現される。注入層内がｎ型ドーパント材料である場合、ドープ有機半導電層は、ｎ型にドープされなければならず、注入層内がｐ型ドーパント材料である場合は、ドープ有機半導電層は、ｐ型にドープされなければならない。減損型トランジスタに関して、閾値電圧は十分に定義されていないが、この閾値電圧はフラットバンド電圧Ｖ_ＦＢによって推測され得る。標準的な半導体論によれば、フラットバンド電圧Ｖ_ＦＢのシフトはこのように示される（ｐ型トランジスタにおいて、境界面（intergace）と酸化物トラップは無視する）：

ここで、Ｅ_ＨＯＭＯは、有機半導体のＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）位置であり、Ｗ_ｆはゲート金属の仕事関数であり、ηはＨＯＭＯとフェルミエネルギーとの間のエネルギーギャップである。ドーピングによって、フェルミエネルギー（すなわち、η）の位置を制御することができる。そのため、式２によれば、フラットバンド電圧は、ドーピングによるηのシフトにより制御することができる。

好ましい一実施形態によれば、少なくとも第１電極及び第２電極の一方、及び注入層が、電荷キャリアチャンネル内に多数電荷キャリアを注入するように形成されている。先ほどと同様に、電荷キャリアの種類は、ドープ有機半導電層のドーピングの種類に応じて規定される。

さらなる一実施形態では、ドープ有機半導電層は、多数電荷キャリアチャンネルを形成するように構成されている。多数電荷キャリアは、多数電荷キャリアチャンネルを通じて、第１電極と第２電極との間を移動することができる。多数電荷キャリアは第１電極から第２電極へ、また逆方向へも移動することができる。

さらなる実施形態によれば、第１電極と第２電極は、ゲート電極上における第１電極及び第２電極の各突出部が、第１電極及び第２電極それぞれの幅と同程度に大きい領域を覆うように、ゲート電極に対して配置される。

〔本発明の好ましい実施形態の説明〕
以下、実施例として、異なる実施形態に関して、本発明をより詳細に説明する。図面では以下が示されている：
図１は、ＯＦＥＴの概略を表したものであり、
図２は、トップコンタクトボトムゲート構造のＯＦＥＴの概略を表したものであり、
図３は、ボトムコンタクトのＯＦＥＴの概略を表したものであり、
図４は、トップゲート構造のＯＦＥＴの概略を表したものであり、
図５は、反転型ＯＦＥＴの特性であり、
図６は、減損型ＯＦＥＴの特性であり、
図７は、反転型ＯＦＥＴと減損型ＯＦＥＴとの間での、ドーピングによる閾値シフトの比較であり、
図８は、現実的なパラメータによる、式１のプロットである。

図１は、ＯＦＥＴの概略を表したものを示している。トランジスタは、第１電極（１）、第２電極（２）、第１注入層（１ａ）、第２注入層（２ａ）、真性有機半導電層（３）、ドープ有機半導電層（４）、ゲート絶縁体（５）、及びゲート電極（６）を含んでいる。第１注入層及び第２注入層は、ｎ型ドープ又はｐ型ドープされたものの何れかである。反転型ＯＦＥＴを実現するために、注入層がｎ型にドープされたものなら、ドープ有機半導電層（４）はｐ型にドープされる。もしくは、注入層がｐ型にドープされたものなら、ドープ有機半導電層（４）はｎ型にドープされる。減損型ＯＦＥＴを提供するためには、注入層がｐ型にドープされたものなら、ドープ有機半導電層（４）はｐ型にドープされる。もしくは、注入層がｎ型にドープされたものであるなら、ドープ有機半導電層（４）はｎ型にドープされる。ゲート絶縁体（５）とドープ有機半導電層（４）との間に、減損領域が形成される。

図２において、ＯＦＥＴは、トップコンタクトボトムゲート構造によって実現されている。トランジスタは、ソース電極（１）、ドレイン電極（２）、真性（ドープされていない）有機半導体（３）、ドープ有機半導体（４）、ゲート絶縁体（５）、及びゲート電極（６）を含む（図２ａ）。ソース電極及びドレイン電極（１，２）は、半導体内に電子又は正孔を注入することができる。上記のドープ層の厚さは、小さい値でなければならない（２〜１０ｎｍ）。上記の真性有機半導電層の厚さは、２０ｎｍから１００ｎｍの間で変化し得る。真性有機半導体（３）の電荷キャリア移動度の値は大きくなければならない。可能な材料は、ペンタセン、Ｃ６０、ジナフト［２，３−ｂ：２，３−ｆ］チエノ［３，２−ｂ］−チオフェン（ＤＮＴＴ）、又は銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）である。ゲート絶縁体（５）は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）又は他の一般的に使用されているゲート誘電体によって形成され得る。

電子又は正孔注入コンタクトを実現するためには、ソース電極及びドレイン電極（１，２）と、真性有機半導体（３）との間に、追加の層（１ａ及び２ａ）が導入される（図２ｂ）。追加の層（１ａ及び２ａ）は、ドープされた複数の注入層によって、ソース電極及びドレイン電極（１，２）との境界面でオーム接触を形成することによって実現される。ドープされた上記の層（１ａ，２ａ）は、ｎ型注入コンタクトについては、Ｃｓ、Ｃｒ_２（ｈｐｐ）_４又はＷ_２（ｈｐｐ）_４によって実現可能で、同様に、ｐ型注入コンタクトについては、Ｆ_４ＴＣＮＱ、ＭｏＯ_３、ＷｏＯ_３、又はＦ_６−ＴＣＮＮＱによって実現可能である。反転型ＯＦＥＴを実現するために、ドープされたチャンネルがｎ型にドープされたものなら、複数の上記の注入層はｐ型にドープされなければならない。もしくは、ドープされたチャンネルがｐ型にドープされたものなら、複数の上記の注入層はｎ型にドープされなければならない。減損型ＯＦＥＴを実現するために、ドープされたチャンネルがｐ型にドープされたものなら、複数の上記の注入層はｐ型にドープされなければならない。もしくは、ドープされたチャンネルがｎ型にドープされたものなら、複数の上記の注入層はｎ型にドープされなければならない。ドープされた注入層の厚さは、２〜５０ｎｍの範囲とすることが可能である。以下の材料は、注入層のマトリックス材料に適している：ＭｅＯ−ＴＰＤ、ペンタセン、及びＣ６０。これらの材料は、表１に記された如何なるドーパントによってもドープされ得る。

ドープされた層（４）内への電子又は正孔の注入をさらに向上させるために、ソース電極（１）又は注入層（１ａ）と、ドープされた層（４）との間か、ドレイン電極（２）又は注入層（２ａ）と、ドープされた層（４）との間に、混合層（１ｂ、２ｂ）を含ませることができる（図２ｃ）及びｄ））。

トランジスタはまた、図３に示す、ボトムソース／ドレインコンタクトによって実現され得る。このトランジスタは、ソース電極（１）、ドレイン電極（２）、真性有機半導体（３）、ドープ有機半導電層（４）、ゲート絶縁体（５）及びゲート電極（６）を含む。図２に示すトップコンタクト構造と同じ材料が使用可能である。さらに、ソースコンタクト及びドレインコンタクト（１，２）は、正孔注入又は電子注入のどちらかであり得る。これは、適合した仕事関数を持つ複数のコンタクトを用いること（図３ａ）によってか、ドープされた注入層（１ａ，２ａ）を使用すること（図３ｂ）によって実現され得る。反転型ＯＦＥＴにおいて、ｎ型注入コンタクトの場合は、ドープされた層（４）はｐ型でなければならず、ｐ型注入コンタクトの場合は、ドープされた層（４）はｎ型でなければならない。減損型ＯＦＥＴにおいて、ｐ型注入コンタクトの場合は、ドープされた層（４）はｐ型でなければならず、ｎ型注入コンタクトの場合は、ドープされた層（４）はｎ型でなければならない。

同様に、トランジスタは、図４で示されるように、トップゲート構造によっても実現され得る。ボトムゲート構造と比較すると、ドープ有機半導電層（４）は、真性有機半導電層（３）の上に配置されている。その他の点では、構造は、ボトムゲート構造の場合と同一であり、同じ材料を使用することができる。さらに、ドープされた注入層（１ａ及び２ａ）は、複数の上記電極において電荷キャリア注入を向上させるために使用し得る（図４ｂ）。

以下に示すように、トランジスタの閾値電圧のシフトは、減損型ＯＦＥＴよりも、反転型ＯＦＥＴの方がより強い。

反転型ＯＦＥＴは、図２ｂ）に従って実現される。ガラス基板は、６０ｎｍのアルミニウムから成るゲート電極（６）によってコートされる。ゲート電極（６）は、ゲート絶縁体（５）を形成する、原子層堆積法によって堆積された１２０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３によって覆われている。絶縁体（５）の上には、ドープ有機半導電層（４）を形成する、ｎ型ドーパントＷ_２（ｈｐｐ）_４（０、０．５、１重量％）によってドープされた６ｎｍのペンタセン、及び、真性有機半導電層（３）を形成する４０ｎｍのペンタセンが、ＵＨＶ条件（１０^−７ｍｂａｒより低い圧力）で、熱蒸着によって堆積されている。ソース電極（１）及びドレイン電極（２）は、５０ｎｍのアルミニウムから成る。半導体（３，４）内へのｐ型注入を確実にするために、ｐ型ドーパントＦ_６−ＴＣＮＮＱでドープ（４重量％）された５０ｎｍのペンタセンが、真性層（３）と金属注入層（１ａ及び２ａ）との間に含まれている。Ａｌ_２Ｏ_３層を除く全ての層が、シャドウマスクによって構成されている。チャンネルの長さと幅は、それぞれ３００μｍと２０ｍｍである。図２に基づくトランジスタに関して、結果として得られた出力特性を、図５（上図）に示す。トランジスタは、ゲート（６）に電圧が印加されない限りスイッチがオフの状態であり、トランジスタのスイッチを入れるためには負電圧が印加されなければならない。ドープ有機半導電層（４）のｎ型ドーピング濃度による閾値電圧のシフトを、図５（下図）に、ｐ型ドーピングの場合と比較して示す。ドープ有機半導電層（４）内でのドーピング濃度が僅かに０．５重量％及び１重量％という非常に低い濃度で、閾値電圧を２０Ｖ以上も調整できることが分かる。

図６は、減損型ＯＦＥＴの特性を示している。ドープ有機半導電層（４）のｐ型ドーピング濃度による閾値電圧のシフトが示されている（図６の下図）。

図７は、ドーピングによる閾値のシフトを、反転型ＯＦＥＴと減損型ＯＦＥＴとで比較したものを示している。シフトは、反転型ＯＦＥＴの方がより強い。

図８は、現実的なパラメータによる、式１のプロットを示している。図８は、反転型ＯＦＥＴにおける、予測される閾値電圧のシフトを示している。フェルミ準位Φ_Ｆの位置における閾値電圧のシフトは、２０Ｖ以上である。フェルミ準位の位置は、トランジスタのチャンネルにおけるドーピング濃度によって制御することができる。パラメータは：Ｎ_Ｄ＝１０^１９ｃｍ^−３、ＨＯＭＯ＝５．２ｅＶ、ＬＵＭＯ＝３．２ｅＶ、ε_ｒ，ｏｘ＝９、ε_{ｒ，ｏｒｇ}＝３、ｄ_ｏｘ＝１２０ｎｍ、Ｗ_ｆ＝４．２ｅＶである。

減損型ＯＦＥＴは、以下において実現され得る。ガラス基板は、６０ｎｍのアルミニウムから成るゲート電極（６）によってコートされる。ゲート電極（６）は、ゲート絶縁体（５）を形成する、原子層堆積法によって堆積された１２０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３によって覆われている。絶縁体（５）の上には、ドープ有機半導電層（４）を形成する、ｐ型ドーパントＦ_６−ＴＣＮＮＱ（０、０．５、１重量％）によってドープされた６ｎｍのペンタセン、及び、真性有機半導電層（３）を形成する４０ｎｍのペンタセンが、ＵＨＶ条件（１０^−７ｍｂａｒより低い圧力）で、熱蒸着によって堆積されている。ソース電極（１）及びドレイン電極（２）は、５０ｎｍのアルミニウムから成る。Ａｌ_２Ｏ_３層を除く全ての層が、シャドウマスクによって構成されている。チャンネルの長さと幅は、それぞれ３００μｍと２０ｍｍである。

ＯＦＥＴの概略を表した図である。 トップコンタクトボトムゲート構造のＯＦＥＴの概略を表した図である。 ボトムコンタクトのＯＦＥＴの概略を表した図である。 トップゲート構造のＯＦＥＴの概略を表した図である。 反転型ＯＦＥＴの特性を示す図である。 減損型ＯＦＥＴの特性を示す図である。 反転型ＯＦＥＴと減損型ＯＦＥＴとの間での、ドーピングによる閾値シフトの比較を示す図である。 現実的なパラメータによる、式１のプロットを示す図である。

Claims (16)

1. ソース電極及びドレイン電極を提供する、第１電極（１）及び第２電極（２）と、
   前記第１電極及び前記第２電極（１，２）と電気的に接触している真性有機半導電層（３）と、
   ゲート電極（６）と、
   前記ゲート電極（６）と前記真性有機半導電層（３）との間に備えられているゲート絶縁体（５）と、
   有機マトリックス材料及び有機ドーパントを含み、前記ゲート絶縁体（５）と前記真性有機半導電層（３）との間に備えられているドープ有機半導電層（４）と、
   を含み、
   前記第１電極と前記第２電極（１，２）との間の電荷キャリアチャンネルが、前記ドープ有機半導電層（４）内に形成されている、有機電界効果トランジスタ。
2. 前記真性有機半導電層（３）と前記ドープ有機半導電層（４）とは、同じ有機マトリックス材料を含んでいる、請求項１に記載のトランジスタ。
3. 正孔輸送材料及び電子輸送材料を含んでいる混合層が、前記第１電極及び前記第２電極（１，２）のうちの少なくとも１つと電気的に接触した状態で備えられている、請求項１又は２に記載のトランジスタ。
4. 前記ドープ有機半導電層（４）の厚さが、１ｎｍから２０ｎｍの間である、請求項１から３の何れか１項に記載のトランジスタ。
5. 前記真性有機半導電層（３）と前記ドープ有機半導電層（４）とは、互いに直接接触している、請求項１から４の何れか１項に記載のトランジスタ。
6. 以下の群：前記第１電極（１）、前記第２電極（２）、及び前記ゲート電極（６）
   から選択される少なくとも１つの電極が、金属素材から作られている、請求項１から５の何れか１項に記載のトランジスタ。
7. 前記ドープ有機半導電層（４）は、４重量％以下のドーパント濃度を有する、請求項１から６の何れか１項に記載のトランジスタ。
8. 注入層（１ａ，２ａ）は、前記第１電極及び前記第２電極（１，２）のうちの少なくとも１つに隣接して備えられている、請求項１から７の何れか１項に記載のトランジスタ。
9. 前記注入層（１ａ，２ａ）は、ドーパント材料を含む、請求項８に記載のトランジスタ。
10. 前記注入層（１ａ，２ａ）のドーパント材料が、前記ドープ有機半導電層（４）のドーパントと反対のタイプである、請求項９に記載のトランジスタ。
11. 前記第１電極及び前記第２電極（１，２）のうちの少なくとも１つならびに前記注入層（１ａ，２ａ）は、少数電荷キャリアを電荷キャリアチャンネル内へ注入するように構成されている、請求項８から１０の何れか１項に記載のトランジスタ。
12. 前記ドープ有機半導電層（４）は、少数電荷キャリアが前記第１電極と前記第２電極（１，２）との間を移動することができる少数電荷キャリアチャンネルを形成するように構成されている、請求項１１に記載のトランジスタ。
13. 前記注入層（１ａ，２ａ）のドーパント材料が、前記ドープ有機半導電層（４）のドーパントと同じタイプである、請求項９に記載のトランジスタ。
14. 前記第１電極及び前記第２電極（１，２）のうちの少なくとも１つならびに前記注入層（１ａ，２ａ）は、多数電荷キャリアを電荷キャリアチャンネル内へ注入するように構成されている、請求項８、９又は１３に記載のトランジスタ。
15. 前記ドープ有機半導電層（４）は、多数電荷キャリアが前記第１電極と前記第２電極（１，２）との間を移動することができる多数電荷キャリアチャンネルを形成するように構成されている、請求項１４に記載のトランジスタ。
16. 基板を用意する工程と、
    前記基板を電極材料でコーティングして、ゲート電極を形成する工程と、
    絶縁材料を堆積させて、絶縁層を形成する工程と、
    有機マトリックス材料と有機ドーパント材料とを同時蒸着させて、ドープ有機半導電層を形成する工程と、
    有機材料を堆積させて、真性有機半導電材料を形成する工程と、
    別の電極材料を堆積させて、前記真性有機半導電層と電気的に接触している第１電極及び第２電極を形成する工程と、
    を含む、有機電界効果トランジスタの製造方法。

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