JP2019504501A - 極性エラストマーを使用するトランジスタのスイッチング速度向上のための構造 - Google Patents
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Abstract
第1のゲート、第2のゲート、該第1のゲートと第2のゲートとの間に位置付けられ、かつ、チャネルとして動作するように構成された半導体層、及び該半導体層の対向する側に接続されたソース電極及びドレイン電極を備えた、有機薄膜トランジスタ。該有機薄膜トランジスタはまた、半導体層を通る電流の流れ方向において第1のゲートと半導体層との間に位置した第1の誘電体層であって、第1のゲートに設定電圧が印加されたときに二重層充電効果を示す極性エラストマー性誘電材料を含む、第1の誘電体層、及び、第2のゲートと半導体層との間に位置した第2の誘電体層も備えている。
Description
本出願は、その内容が依拠され、その全体がここに参照することによって本願に援用される、2016年1月15日出願の米国仮特許出願第62/279,359号の米国法典第35編特許法119条に基づく優先権の利益を主張する。
本開示の実施形態は、薄膜トランジスタに関し、より詳細には、有機誘電体層を有する薄膜トランジスタに関する。
薄膜トランジスタ(TFT)は、通常、例えばケイ素、ガラス、及びプラスチックなどの支持(するが非導電性の)基板上に、活性半導体層、誘電体層、及び金属又は導電コンタクトの薄膜を堆積させることによって製造されている。これらのTFTは、液晶ディスプレイ(LCD)などのディスプレイを駆動する「エンジン」として作用しうる。TFTをディスプレイパネル内に埋め込むことにより、例えば、画素間のクロストークを低減し、画像安定性を改善し、所望の映像速度を達成することができる。
通常のTFTは、チャネルを構成するように無機半導体材料で構築されている。これらの材料は、a−Si<酸化インジウムガリウム亜鉛(IGZO)<p−Siの電子移動度を有する。無機材料は、静的状態で良好に作用する。しかしながら、合理的な速度で単純な電子又はディスプレイ用途にスイッチング状態で用いられる場合には、その性能は不十分である。
他方では、TFTの製造に用いることができる有機半導体材料が登場している。有機電界効果トランジスタ(OFET)などの有機薄膜トランジスタ(OTFT)の利点には、弾性、低温処理、及び/又は化学安定性が含まれうる。これらの特性は、結果的に、製品可撓性、新しいプロセス、及び新しい基板をもたらす。
しかしながら、OTFTは、低い電子移動度又は正孔移動度などの幾つかの課題を提示する。移動度は、接触抵抗、中間層構造、及び処理方法に応じて決まる。
本開示のさまざまな実施形態は、第1のゲート、第2のゲート、第1のゲートと第2のゲートとの間に位置し、チャネルとして動作するように構成された半導体層、並びに、半導体層の対向する側に接続されたソース電極とドレイン電極を含む、有機薄膜トランジスタに関する。さまざまな実施形態では、有機薄膜トランジスタはまた、半導体層を通る電流の流れ方向に、第1のゲートと半導体層との間に位置した第1の誘電体層も含む。さらなる実施形態では、第1の誘電体層は、第1のゲートに設定電圧が印加されたときに二重層充電効果を示す極性エラストマー性誘電材料と、第2のゲートと半導体層との間に位置した第2の誘電体層とを含む。
本開示のさらなる実施形態は、基板上に第1のゲートを形成する工程、第1のゲート上に第1の誘電体層を形成する工程、第1の誘電体層上にチャネルとして動作するように構成された半導体層を形成する工程、半導体層上に第2の誘電体層を形成する工程、及び第2の誘電体層上に第2のゲートを形成する工程を含む、有機薄膜トランジスタの製造方法に関する。さまざまな実施形態では、第1及び第2の誘電体層のうちの一方は、極性エラストマー性誘電材料を含んでよく、第1及び第2のゲートは、設定電流及びゲート電流のうちの異なる方を受け入れるように構成されうる。
さまざまな本開示の実施形態は、第1のゲート、第2のゲート、及び第1のゲートと第2のゲートとの間の位置した有機半導体層からなるチャネルを含む、有機薄膜トランジスタに関する。本開示のさらなる実施形態は、有機薄膜トランジスタの製造方法に関する。
本開示の少なくともある特定の実施形態によれば、本明細書に記載される方法は、自由キャリア濃度を増加させ、それによって、TFTのより高い全体的な電流駆動(トランスコンダクタンス)を促進することができる。例えば、さまざまな実施形態では、新しい誘電体層を提供する方法及びデバイスが提供される。新規誘電体層及びTFTの設計は、少なくともある特定の実施形態では、低い移動度を克服すること、及び/又は、有機半導体又は無機半導体材料におけるトランスコンダクタンスを増加させることができる。本発明者らは、優れた有機半導体(OSC)薄膜トランジスタが、極性エラストマー性誘電体及び、該極性エラストマー性誘電体の特性を活用するTFT設計、特にゲート誘起性双極子配列機構の使用によって達成されうることを、思いがけず発見した。
低い動作電圧における高利得及び高トランスコンダクタンスはいずれも、有機電界効果トランジスタ(OFET)の実施用途にとって望ましいであろう。極性エラストマー性誘電体の二重層容量効果については、後で論じられる。この効果は、誘電体が低いイオン濃度及び導電性を有する場合でさえも存在しうる。さらには、この効果は、低電圧で駆動するときにOFETトランスコンダクタンスを高めることが見出された。特に、ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)(e−PVDF−HFP)などの極性エラストマーを誘電体層として用いると、数マイクロメートルの厚さを有する場合であっても、同様の厚さを有する半結晶質PVDF−HFP上に作製された同じ有機半導体について測定されるよりも30倍高くなりうる、チャネル幅あたりのトランスコンダクタンスが得られうる。特定の理論に縛られることは望まないが、これらの結果は、二重層容量効果の結果でありうる。これらの結果は、10−11秒/cmの低さのイオン導電性を有していても達成可能である。
高利得及びトランスコンダクタンスの両方を有する電界効果トランジスタ(FET)は、論理回路、ディスプレイドライバ、及びセンシングを含めた広範囲の用途にとって有利である。有機材料をベースとした高性能FETは、低コスト・高スループット処理との適合性、及び軟組織との機械的適合性の理由から、特に興味深い。しかしながら、有機材料を用いて高いトランスコンダクタンスを実現することは、それらの比較的低い電荷キャリア移動度の理由から、難しい課題であった。トランスコンダクタンスを改善する1つの方法は、高容量を有する誘電体層を開発することである。例えば、極薄い自己組織化単分子膜(SAM)誘電体層を用いて、真空蒸発したOTFTにおいて0.7μF/cm2の高容量及び0.01〜0.04秒/mのトランスコンダクタンスを達成することができる。イオンをドープされたポリマー電解質及びイオンゲルを、OFETのための誘電体層として使用してもよい。容量は、二重層キャパシタ効果に起因して、高い。これらの材料を用いて作られたOFETは、最大で0.5秒/mのトランスコンダクタンスに達しうる。しかしながら、SAM製造の低い収率、液体/ゲル材料と標準的な製造プロセスとの不適合性、及びイオン誘電体の高い水分感受性に起因して、実際的な用途にこれらのシステムを使用するにはまだ課題が残る。
以下により詳細に説明するように、ゲート誘起双極子アラインメント(GIDA)機構を用いて、弾性フッ化ポリマー誘電材料を含めたOFETの出力電流を高めることができる。GIDA機構は、厚い誘電体層を用いてさえも、低い動作電圧でOFET出力電流を顕著に増加させることができる。さまざまな実施形態は、適度なスイッチング速度のみを使用するプリント可能及び着用可能なエレクトロニクスの幅広い用途に用いることができるOFETを提供する。他の実施形態では、GIDA機構はまた、高性能OFETデバイスにも用いることができる。さらには、本機構は、他の極性弾性誘電材料にも適用可能である。
低いイオン濃度及びイオン導電性であっても、極性ゴム状誘電体における二重層容量効果は、トランスコンダクタンスを顕著に増加させる。例えば、極性エラストマーポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)(e−PVDF−HFP)を誘電体層として用いると、チャネル幅あたりのトランスコンダクタンスは、同様の厚さを有する半結晶質PVDF−HFP上に作製された同じ有機半導体で測定されるよりも25〜35倍高い、30倍高いなど、20〜40倍高くなりうる。この効果は、誘電体層が数マイクロメートルの厚さを有する場合であっても見られる。
従来、e−PVDF−HFP誘電体を含むFETは、高速スイッチング動作、すなわち、20Hzより高い周波数でのスイッチングを行うことができなかった。実効電子移動度は、典型的には、二重層イオン誘電体効果の理由から、>20Hzのゲートスイッチング周波数でひどく劣化した。この速度は、スイッチング速度には遅い。しかしながら、以下に開示される幾何学構成を有するデバイスに二重層イオンにより可能になった機構誘電体層を使用することによって、高い実効移動度を、より速いスイッチング速度、すなわち>20Hzとともに達成することができる。実施形態は、有機半導体のチャネル材料を有するFETを含みうる。他の実施形態は、ケイ素、ゲルマニウム、及びケイ素−ゲルマニウム半導体チャネル材料を含みうる。
本明細書に記載されるポリマー誘電体層の特徴は、少なくとも幾つかの実施形態によれば、誘電体層の厚さとは無関係な移動度、大面積での製作容易性、及び非常に低い駆動電圧を含みうる。追加的な特徴は、さまざまな実施形態において、次のものを含みうる:フッ化物誘電体は、極めて安定なデバイス性能をもたらし、デバイスは、ディスプレイガラス、イオン含有ガラス、金属薄膜、及びプラスチック材料などのさまざまな基板上で製作することができ、より低い周波数(例えば準静的に近い)を使用することで、より高い容量を生じる。他の特徴は、さまざまな実施形態では:容量における電圧依存性がないこと;エラストマー誘電体e−PVDF−HFPの利用;及び、遅い応答時間を改善する能力を含みうる。しかしながら、さまざまな実施形態では、上記特徴の1つ以上が存在しない場合があり、少なくともある特定の実施形態では、上記特徴のいずれも存在せず、このような実施形態もまた本開示の範囲内にあることが意図されていることに留意すべきである。
加えて、本明細書に開示されるある特定の実施形態は、高性能電気回路での処理が容易な月並みな半導体材料の実装を可能にしうる。加えて、本明細書に開示されるデバイスは、さまざまな実施形態において、現行の製造基盤設備に適合可能である。例となる用途としては、交通カード及びスマートカード用のバッテリのないディスプレイ、電子棚札、埋め込み式荷物タグ、スマートウォッチ、及び大きい可撓性OLED用途が挙げられる。
図1は、本開示のさまざまな実施形態に従うFET200を示している。FET200は、絶縁材料若しくは、導電性又は半導体材料の上部に絶縁層を有する導電性又は半導体材料(図示せず)で作られてよい、基板102を含む。基板102の上には、第1のゲート104aが位置している。第1のゲート104aは、設定電圧を受けるように構成されうる。この事例では、第1のゲート104aは、設定ゲートと称されうる。第1の誘電体層116は、基板102の上に配置され、第1のゲート104aを覆う。以下により詳細に説明するように、第1の誘電体層116は、電界の適用とともに双極子を形成する極性エラストマー性誘電材料を含みうる。幾つかの実施形態では、極性エラストマー性誘電材料は、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)(e−PVDF−HFP)材料でありうる。
半導体層108は、第1の誘電体層116の上に配置される。半導体層108は、有機半導体材料又は無機半導体材料から形成されうる。本明細書では、半導体層108は、チャネルとも称される。FET200は、半導体層108の上に配置された第2の誘電体層107及び第2の誘電体層107の上に配置された第2のゲート104bもまた含みうる。第2のゲート104bは、信号電圧(例えば、データ電圧)を受けるように構成されうる。この事例では、第2のゲート104bは、信号ゲートと称されうる。第2の誘電体層107は、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)などの任意の適切な誘電材料で作られうる。FET200は、半導体層108に電気的に接続されたソース電極110及びドレイン電極112を含む。
幾つかの実施形態では、第1の誘電体層116は、第2の誘電体層107よりも厚くなりうる。しかしながら、他の実施形態では、第1の誘電体層116と第2の誘電体層107は、略同一の厚さを有する。あるいは、第1の層116は、第2の誘電体層107より薄くてもよい。ソース及びドレイン電極110、112は、半導体層108の上又は半導体層108の下に存在しうる。幾つかの実施形態では、設定ゲート104aは、半導体層108を通る電流の流れ方向に関して、信号ゲート104bと同じ長さであるか、又はそれより長い。この構成は、優れたトランスコンダクタンスをもたらしうる(信号ゲート104bに印加される電圧により、ソース電極及びドレイン電極110、112間の電流の流れの増加を生じる)。
代替的に、上記構成を反転させてもよい(例えば、ボトムゲート配置)。例えば、第2の誘電体層107は、極性エラストマー性誘電材料でできていてよく、第2のゲート104bは、設定電圧を受けるように構成された設定ゲートであってよく、第1の誘電体層116は、通常の誘電材料から形成されてよく、第1のゲート104aは、信号電圧を受けるように構成された信号ゲートでありうる。
図2は、本開示のさまざまな実施形態に従うFET201を示している。FET201は、FET200と同様であり、したがって、それらの間の相違のみを詳細に説明する。特に、ソース電極110及びドレイン電極112は、それらの一部分が半導体層108と第2の誘電体層107との間に延在するように製造されうる。ソース及びドレイン電極110、112はまた、設定ゲート104a及び信号ゲート104bとも重なっていてよい。ソース及びドレイン電極110、112のより大きいソース/ドレインメタライゼーション領域(例えば、それらの延長部分)は、実効移動度を増加させ、したがって、半導体層108のトランスコンダクタンスを増加させるが、設定及び信号ゲート104a、104b及びソース電極及びドレイン電極110、112との寄生結合を理由として、全体的なスイッチング速度を低下させる可能性がある。この電極構成は、ボトムゲートFET構成にも適用することができる。
図3は、設定ゲート104aが第1の誘電体層116にヘルムホルツ面120をいかにして誘起するかを示している。ヘルムホルツ面120は、次に、該ヘルムホルツ面120に矢印で示すように、第1の誘電体層116と半導体層108との間の界面、及び第1の誘電体層116と設定ゲート104aとの間の界面に電解を生じる。矢印は、単分子膜相互作用を表している。電界にわたる距離は、実質的に1原子の厚さである。結果として、半導体層108に自由キャリア122を誘起する強電界が生じる。以下により詳細に説明するように、自由キャリア122は、半導体層108の状態(「オン」又は「オフ」)を設定する。
上記実施形態のいずれかに従うFET200を動作するため、約0.5〜4V、又は約1〜2Vの電圧など、比較的低い設定電圧が、設定ゲート104aに印加される。設定電圧は、ほぼ一定又は低い周波数で印加されうる。設定電圧は、半導体層108に弱い逆転状態を誘起する(すなわち、自由キャリア122が誘起される)。第1のゲート104bに適用されるゲート信号は、半導体層108内の自由キャリア濃度がすでに比較的「高い」ために、容易に増幅することができる。設定ゲート104aに印加される設定電圧は、半導体層108がほぼ「オン」状態にあることから、結果的に半導体層108内に漏れ電流を生じうる。設定ゲート104aがオンである(例えば、そこに設定電圧が印加される)間、半導体層108は、弱い又は中程度の逆転状態で維持され、これは、約0〜3ボルトの信号電圧など、比較的低い信号電圧が信号ゲート104bに印加される場合でさえも、より高レベルの漏れ電流を生じうる。
ゲート信号間の時間がポリマー誘電体の応答時間よりも長い場合、設定ゲート104aは、オフにされうる(例えば、そこに設定電圧は印加されない)、あるいは、設定電圧よりも低い待機電圧がそこに印加されうる。すなわち、入ってくるゲート信号の周波数が誘電材料の周波数応答よりも長い場合、設定ゲート104aは、オフにされて、電力を節約する(例えば、漏れ電流を低減する)ことができる。例えば、設定ゲート104aは、信号周波数が20Hz未満の場合にオフにされる。
n−型半導体層108を含む(すなわち、正のゲート電圧がソースとドレインとの間の電流電導に用いられる)デバイスでは、ゲート電圧(VGS)は、0Vより低く(例えば、負に)設定することができ、設定ゲート104aに印加される設定電圧によって誘起される漏れ電流を抑えるのに役立つ。言い換えれば、約−5〜−15ボルトなどの負のオーバードライブ電圧を信号電極104bに印加して、信号電圧パルス間の電流の漏れを低下させることができる。
図4は、本開示のさまざまな実施形態に従うトライゲートFET202を示している。トライゲートFET202は、FET200と類似しており、したがって、それらの相違のみを詳細に論じる。トライゲートFET202は、設定ゲート104aに隣接した基板102上に配置された、第2の信号ゲート104cとも称される第3のゲート104cを含む。第2の信号ゲート104cは、設定ゲート104aと同じ面に存在してよい。トライゲートFET202は、第1及び第2の信号ゲート104b、104cを電気的に接続する電気接続124もまた含みうる。トライゲートFET202はまた、第2の設定ゲート104cと半導体層108との間に位置した第3の誘電体層109も含みうる。第3の誘電体層109は、通常の誘電材料から形成されうる。第1の誘電体層116は、上述の極性エラストマーを含みうる。
設定ゲート104aは、半導体層108が弱い又は中程度の逆転状態に置かれるように、バイアスされうる(例えば、設定電圧を受けるように構成されうる)。第1及び第2の信号ゲート104b、104cが信号電圧(例えば、データ電圧)を受ける場合、電流は、半導体層108を通ってソース電極110とドレイン電極112との間を流れることができる。信号電圧又はオーバードライブ電圧が第1及び第2の信号ゲート104b、104cに印加されない場合には、電流ピンチオフ領域は、2つの信号ゲート104b、104c間に生成される。これにより、そうでなければ設定電圧が設定ゲート104aに印加させる場合に生じうる電力消費(例えば電流の漏れ)が低減される。この実施形態では、電力消費は改善されるが、しかしながら、トランスコンダクタンスは、図1に示される構造よりもわずかに低くなりうる。
図5は、本開示のさまざまな実施形態に従うFET203を示している。FET203は、FET200と類似しており、したがって、それらの相違のみを詳細に論じる。FET203は、通常の第2の誘電体層107及び極性エラストマーなどのポリマー誘電体層116とともに信号ゲート104b及び設定ゲート104aを含む。この実施形態では、信号ゲート104bは、ソース電極及びドレイン電極110、112間の電流の流れ方向に関して、設定ゲート104aの長さLsetより長い長さLSigを有し、オフセット領域126を生成する。オフセット領域126は、信号ゲート104bが設定ゲート104aと直接重ならない領域でありうる。言い換えれば、半導体層108は、該半導体層108が信号ゲート104bのみと直接重なるオフセット領域108aと、半導体層108が信号及び設定ゲート104b、104aの両方と重なる導電性領域108bとを含みうる。オフセット領域108aは、FET202のドレイン側に配置されうる(例えば、ソース電極110よりもドレイン電極112に近い)。設定ゲート104aによって生成される電界は、オフセット領域108aにほとんど又は全く影響を及ぼさないであろうことから、導電性領域108aは、オフセット領域108bよりも高い導電性を有しうる。このように、オフセット領域108aは、比較的高い抵抗を有していてよく、設定ゲート104aがオンであり(例えば、設定電圧が印加される)及び信号ゲート104bがオフ(例えば、信号電圧は印加されない)のときに、半導体層108を介して電流(例えば、漏れ電流)をピンチオフするように動作することができる。
図5に示される設計は、図2に示す設計の単純さを維持するが、第1の信号ゲート104bがオフであるか、又は過度に駆動されたオフ状態のときに、より低い電流を伴う。FET202は、FET200と比較して、低下したトランスコンダクタンスを有しうる。より大きい信号ゲート104bは、幾何学的レイアウト設計によって実現することができる。それは、プロセスバイアスを利用して実現することもできる。
上で論じたように、極性フッ素化PVDF−HFPエラストマー誘電体は、低いイオン濃度を有するにもかかわらず、ゲート電圧の印加下で、電気二重層充電効果を誘起することができる。このポリマー誘電体は、数マイクロメートルの厚さであっても、約0.3μF/cm2の高い静電容量を伴って溶液処理可能である。この厚さのポリマー誘電体から作られたデバイスは、ポリマーOTFTについては0.02秒・m−1の高さ、及びCVD−グラフェンFETについては1.2秒・m−1の高さのトランスコンダクタンスで、低電圧で動作可能である。このポリマー誘電体は、さまざまな有機半導体の溶液処理との適合性が高い。結果的に得られるデバイスは、周囲条件及び水性条件のいずれにおいても、高い電流出力及び低いバイアスストレスの両方を示す。
PVDF−HFPポリマーは、高いモル分率のPVDFセグメントが組み込まれた場合、通常、半結晶質である。しかしながら、より高いモル比のHFP単位(19F−NMRで決定して45モル%)は、およそ−20℃のガラス転移温度(Tg)を有する弾性材料を結果的にもたらす。誘電率は、1kHzで測定して11であり、先に報告された8〜13の範囲と同様の値である。
厚いポリマー誘電体膜(1.4〜5μm)をOFETに使用して、漏れ電流を低減した(1.4μmではV=−1Vで10−6A・cm−2)。さらには、厚いポリマー誘電体膜は、大規模なコーティング方法ではるかに容易に達成可能である。膜は、滑らかな表面(表面粗さ約0.3nm)及び0.3MV/cmを超える高い破壊電界を示した。e−PVDF−HFPの性能は、異なる調製条件下でも安定である。容量値の顕著な変化を見ずに溶液に脱イオン水を意図的に添加することを含めて、異なるアニーリング条件について調査した。
図6Aは、例示的な実施形態に従うOFETを示している。図6Bは、図6AのOFETに用いられる誘電体e−PVDF−HFPの化学構造を示している。図6Cは、図6AのOFETに用いられる半導体PTDPPTFT4の化学構造を示している。デバイスは、チャネル長L=50μm及びチャネル幅W=1000μmを有していた。誘電体の厚さは1.4μmである。図6Dは、PTDPPTFT4の出力特性のプロットであり、一方、図6Eは、PTDPPTFT4の伝達特性のプロットである。VGプロットに対するIDS 1/2の2つの勾配が観察された。これは、デバイスにおける接触抵抗の存在が原因である可能性がある。第1の勾配は、移動度の値を推定するために+0.2V〜−2Vの範囲で用いられた。
この誘電体を使用してトランジスタデバイス性能を評価するため、ポリ(テトラチエノアセン−ジケトピロロピロール)TFT4(PTDPPTFT4)(図6Cに示される化学構造)を、その高い電荷キャリア移動度の理由から半導体層として選択した。デバイス(図6Aに示される)は、厚い誘電体層(1.4μm)を使用したにもかかわらず、VG=−5Vにおいて10−4Aに近い高いオン電流を示した。加えて、デバイスのサブ閾値勾配は、OTFTについて報告された最低値に匹敵する、わずか120mV・decade−1であった。さらには、閾値電圧(VTH)は、低電圧駆動用途において望ましい、<1Vであった。さらには、PTDPPTFT4デバイスは、−3Vのゲート電圧において0.02秒・m−1のチャネル幅あたりの高いトランスコンダクタンスを示した。低い電圧で動作するOTFTは、誘電体層として、低周波数において最大60の誘電率を有するポリ(フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン−クロロフルオロエチレン)(P(VDF−TrFE−CFE))を使用することによって以前に達成された。しかしながら、−3Vにおいて4×10−3秒・m−1のチャネル幅あたりの高いトランスコンダクタンスを達成するためには、約160nmの薄い層を必要とした。本明細書に開示されるデバイスを用いて達成される値は、超薄型のSAM誘電体(0.01〜0.04秒/m)を用いた、最も良好に報告されたOTFTに匹敵する。さらには、e−PVDF−HFP誘電体ポリマーは、標準的なデバイス製造プロセスと非常に適合し、以下により詳細に説明するように、周囲及び水中でさえも、安定な動作を有するデバイスをもたらす。
下記表は、e−PVDFHFP誘電体層(厚さ1.4μm)を使用して飽和領域で測定したOFETの電気性能の概要である。カッコ内の移動度は、電圧バイアスに対して正規化された、20Hz2gm/VバイアスにおけるLCRメータで測定された容量(8.4nF・cm−2)から抽出される。飽和領域で動作させたP3HT、PII2T及びPTDPPTFT4については、値は、ゲート電圧(3V)に対して正規化されている。線形領域で動作させたグラフェンについては、値は、ドレイン−ソース間電圧(VDS=−0.1V)に対して正規化されている。移動度の値を、300nF・cm−2の準静電容量で計算した(W:1000μm;L=50μm)。
たとえ、低い電圧での高いトランスコンダクタンスが実際的な用途にとって望ましいとしても、電荷キャリア移動度は、典型的には半導体の電荷輸送能力を特徴づけるために用いられる。電荷キャリア移動度は、飽和及び線形領域から、標準的なMOSFETモデルで計算することができ、計算に用いられる容量の値に応じて決まる。非イオン性誘電材料は、測定周波数に関わらず、比較的一定の容量を示す。e−PVDF−HFPの容量は、20kHzから100kHzまでほとんど変化しないことが判明したが、周波数が1Hz未満に低下すると急速に増加した。したがって、≧20Hzで測定される容量値を使用する移動度計算について文献で広く使用されている典型的な手順は、結果的に、移動度の過大評価をもたらす。この問題を、さまざまな厚さのe−PVDF−HFPを有するトランジスタを測定することによってさらに確認した。20Hzで測定した容量は、標準的なキャパシタに期待される誘電体厚さでスケーリングしたけれども、トランジスタの出力電流は、誘電体厚さで予想されるスケーリングを示さなかった。これにより、高いトランスコンダクタンスの原因が、主にそれらの高い分極率を利用する他のPVDFをベースとした誘電材料上に調製されたものとは、おそらくは区別されることが示唆される。容量を、準静電限界でも測定した。準静電限界に近づく低周波数では、容量値の急激な上昇が観察される。さらには、容量は、誘電体層の厚さの関数としての変化をあまり示さず、デバイスに二重層充電効果が存在したことが示唆される。観察される高い容量はまた、低い動作電圧でも得られる高いトランスコンダクタンスをも説明する。
準静電限界における容量値をさらに確認するため、e−PVDF−HFPキャパシタ及び外部抵抗に基づいて、RC回路の時定数を測定した。容量の電圧依存性は観察されなかった。これにより、0.1Hzの低い周波数における高容量が確認され、OTFT測定によって、容量及び対応する移動度(図7B)を明白に決定可能となる。e−PVDF−HFPの低い周波数における二重層充電効果は、<1質量%の塩が存在することを考慮すると、意外である。比較において、典型的なイオン−ゲル誘電体は、>80質量%のイオン性液体、及び、およそ10−2〜10−5秒/cmの高いイオン導電性を含む。e−PVDF−HFPで測定されたイオン導電性は数桁低く、約8×10−11秒/cmであると測定された。対照的に、半結晶質PVDF−HFP(c−PVDF−HFPと称される、モル比で90%のVDF)を誘電体層として使用した場合、出力電流は、従来の誘電材料について予想されたように、c−PVDF−HFPの厚さが0.55μmから2.15μmへと増加するにつれて低下した。RC回路の充電/放電による準静電容量もまた、より高い周波数(>20Hz)で測定したものと似た容量値を生じた。
上記観察は、e−PVDF−HFPの並外れた二重層充電効果が、その低いガラス転移温度Tg(約−20℃)に関することを示唆している。弾性ポリマーは、イオン輸送を促進する高いセグメント運動の理由から、イオン伝導体にとって望ましいマトリクスである。さらには、e−PVDF−HFPにおける高濃度の極性基は、架橋試薬(典型的にはホスホニウム化合物)などの塩不純物を溶媒和することができる。c−PVDF−HFPの場合には、充電プロセスに対するイオンの寄与の明確な証拠は、その半結晶質の性質を原因とする抑制されたセグメント運動に起因して、特定されなかった。ポリ(ジメチルシロキサン)(PDMS)は、知られている弾性誘電材料である。しかしながら、それは、その低い極性の理由から、電気二重層充電の痕跡を示さない。したがって、e−PVDF−HFPは、非イオン誘電体の処理特性及び安定性も維持しつつ、イオン誘電体の二重層充電効果を示す、希少な誘電材料である。
図7A〜7Fは、e−PVDF−HFP及びc−PVDF−HFP上に作製されたPTDPPTFT4トランジスタのデバイス特性を示すプロットである。図7Aは、さまざまな厚さを有するe−PVDF−HFP誘電体層上に調製されたOTFTの伝達曲線を示している。図7Bは、20Hz、0.1Hz、及び準DC値の容量を使用して決定したe−PVDF−HFPの厚さの関数としての対応する電界効果移動度を示している。20Hzの容量の採用は、伝達特性の測定の間の実際の電荷キャリア密度の過小評価を引き起こし、したがって、誇張された移動度の値を引き起こす。図7Cは、順方向及び逆方向の掃引におけるデバイス特性を示している。図7Dは、e−PVDF−HFP(実線)及びOTS−修飾SiO2(破線)上に作製されたPTDPPTFT4のFETの温度依存性トランスコンダクタンスを示している。図7Eは、さまざまな厚さを有するe−PVDF−HFP誘電体層上に調製されたOTFTの伝達曲線を示している。図8Fは、20Hz及び準DC値の容量を使用して決定したc−PVDF−HFPの厚さの関数としての対応する電界効果移動度を示している。
e−PVDF−HFP誘電体ゲートOTFTにおけるフッ素化極性エラストマーと低濃度のイオンとの組み合わせは、電気二重層充電によって、高い電荷キャリア密度を誘起する。さらには、研究したトランジスタはすべて、図8Cに示される前方掃引と比較して、より高い後方掃引電流を有する、およそ0.5Vの小ヒステリシスを示した。デバイスの性能は、動作温度に応じて決まり、デバイスを室温から200Kへと冷却することによって、トランスコンダクタンスにおける急激な低下を示す(図7D)。この低下は、大部分がイオン移動度の低下に起因し、このイオン移動度は、セグメント運動と直接相関し、温度に強く依存する。
幾つかの追加的なよく知られている溶液処理可能な有機半導体及びCVD−グラフェンを、厚いe−PVDF−HFP誘電体上で試験した。図8Dに示されるように、p−及びn−チャネルトランジスタはいずれも、高いトランスコンダクタンスを示した。デバイスはすべて、5V未満の低いゲート電圧において、大きい電流出力を生じる。これらのデバイスのチャネル幅あたりのトランスコンダクタンスを測定したところ、SiO2又は他の一般に報告されるポリマー誘電体を用いた対応する材料の値よりも3〜10倍高かった。CVD−グラフェンデバイスは、1.2ミリ秒(VDS=−0.1V)の高さのトランスコンダクタンスを示し、これは、誘電体層として、NaClを有するリン酸緩衝電解質使用するCVD−グラフェンデバイス(0.42ミリ秒)よりも高い。比較の目的でVDSを正規化することによって、グラフェンデバイス(12000μ秒V−1)の正規化されたトランスコンダクタンス(gm/VD)は、高誘電率のHfO2又はY2O3誘電体(約100μ秒V−1)上に作製されたグラフェンデバイスのものよりも高い。
図8A〜8Fは、図8AはP3HT、図8Bはグラフェン、及び図8CはPCBMであるOTFTの伝達及び出力特性を含む、W/L=20を有するe−PVDF−HFP誘電体層に基づいたOTFTの電気的特性を示すプロットである。グラフェンデバイスの伝達特性は、線形領域で評価され、VDS=−0.1Vであることに留意されたい。各パネルは、挿入された小さい図に示される出力特性を有する伝達曲線を示している。図8Dは、さまざまな誘電体間のトランスコンダクタンスの比較を示している。黒い点は、架橋されたCytop(d=50−70nm)、架橋ポリスチレン(PS)(d=10nm)、架橋ポリ(ビニルフェニル)(PVP)(厚さ=280nm)、SiO2(d=230〜300nm)、及び半結晶質PVDF−HFP(厚さ=1.4μm)を含む、一般的な誘電体層をベースとしたOFETから得られたトランスコンダクタンスを示している。SiO2誘電体はすべて、OTS−SAMで改質した。赤い点は、e−PVDF−HFPをベースとしたOFETから得られた性能を示している。すべてのe−PVDF−HFPデバイスのトランスコンダクタンスは、OTSで修飾したSiO2上に作製された対応するデバイスよりも約1桁高い。図8Eは、誘電体層としてe−PVDF−HFPを有するPTDPPTFT4トランジスタ(L=50μm、W=1000μm)の周波数に対するIDS及びIG電流を示しており、ここで、VDS=−15V、VG=10V〜−10Vである。カットオフ周波数(fc)は、IDSとIGの交点と推定した。図8Fは、1kHz、パルス幅=1ミリ秒、パルス立上がり時間=4μ秒、及びチャネル長=50μmの方形波関数ゲート電圧パルスに対するPTDPPTFT4のIDS応答を示している。応答時間は、20%のオフから80%の最大オン電流に達するのに必要とした時間として定められる。
遅い応答時間は、イオン誘電体ゲート電界効果トランジスタについての潜在的な懸念事項である。無線周波数識別(RFID)及び有機発光ダイオード(OLED)などの実施用途では、スイッチング速度は望ましいデバイスパラメータである。イオン電解質ゲートデバイスのスイッチング速度は、典型的には1〜100Hzの範囲にある。10kHzのスイッチング速度は、非常に高いイオン濃度(9質量%のイオン性液体、0.7質量%のポリマー電解質、及び90質量%の溶媒)及び高いイオン移動度(およそ8×10−3秒/cm)のイオンゲルを用いて達成することができる。e−PVDF−HFPのOFETのスイッチング挙動を評価するため、短いゲート電圧パルスをデバイス動作に適用した。E−PVDF−HFP/PTDPPTFT4トランジスタは、44μ秒のスイッチングオン応答を示した(図8E〜8F)。トランジスタの最大動作周波数を特徴づけるカットオフスイッチング周波数(fc)を、周波数の関数としてIDS及びIGを測定することによって、11kHzであると決定した。カットオフスイッチング周波数fcが周波数として定められ、ここで、AC変調IDSは、寄生ゲート電流(IG)に等しい。fc値(11kHz)は、e−PVDF−HFPの極低いイオン濃度にもかかわらず、非常に高いイオン濃度を有する多くのポリマー電解質デバイスに匹敵する、若しくはそれよりも高い。より高い周波数で観察されるIDSの低下(図8E)は、周波数の増加に伴って減少した容量を原因とする。加えて、IGの増加は、ドレイン/ソース電極とゲート電極との間の大きい重なりが寄与する、寄生電流を主な原因とする。デバイスのカットオフ周波数は、現在、その長いチャネル長(L=50μm)と、大きい寄生ゲート電流を結果的に生じる、ドレイン/ソース電極とゲート電極との間の大きい重なりとによって主に制限される。一実施形態では、デバイスのスイッチング速度は、ドレイン/ソース電極とゲート電極との間の重なり及び誘電材料のさらなる改質を最小限に抑えることによって、さらに改善される。補完的な実験において、伝達特性を測定する間に、DC電圧に重畳されたAC信号からなるドレインバイアスを印加し、線形電界効果移動度の計算を可能にした。予想通り、DCモードにおけるデバイスのDC移動度は変化せず、一方、AC移動度のみが、それぞれ、1kHz及び10kHzの周波数で約20%及び50%へと降下する。これらのデバイスは、バイオセンサ用途に適している。
図9A〜9Fは、半導体材料としてPTDPPTFT4を用いたe−PVDF−HFPデバイスのバイアスストレス解析を示すプロットである。図9Aは、周囲条件においてVG=−0.5、−1、−3及び−5V下でのPTDPPTFT4 FETについてのバイアスストレス挙動(時間に対するIDS)を示している。図9Bは、空気(黒塗りの記号)及び脱イオン水(白塗りの記号)における各バイアスサイクルの終了時に測定した電流ID及び漏れ電流IGにおける長期バイアスを示している。VD=VG=−0.5Vのバイアスを印加し、各バイアス工程の前及び直後の伝達特性を測定した。図9Cは、空気中での長期バイアスの間の線形及び飽和領域の両方における閾値電圧の移動度及びシフトの発達を示している。図9Dは、脱イオン水中での長期バイアス間の線形及び飽和領域の両方における閾値電圧の移動度及びシフトの発達を示している。電界効果移動度を、準静電容量を用いて計算した。経時による線形回帰を実施することによって移動度の低下を解析し、それぞれ、空気及び脱イオン水中でのデバイスについて、約−0.22%/時間及び−0.25%/時間の傾きを示した。プロットの中断は、新しい測定サイクルの開始であり、脱イオン水に曝露されたデバイスの場合には、シリンジポンプの補充である。
OFETに伴う別の問題は、経時によるバイアスストレス及びデバイス安定性である。典型的な二重層充電キャパシタをベースとするトランジスタは、湿度に対して敏感である。加えて、幾つかの誘電体に存在する大量のイオンは、半導体材料内へと拡散し、酸化還元反応及び材料の劣化を生じうる。この目的のため、周囲条件下、異なるゲート電圧で10分間のバイアス期間を用いて、e−PVDF−HFP−PTDPPTFT4デバイスを解析した(図9A)。数時間続くFETの以前のバイアスストレス解析は、典型的には、フッ素化誘電体を用いてさえも、少なくとも数ボルトの閾値電圧シフトを報告した。低電圧トランジスタは、閾値電圧シフトに関しては最も安定であるが、依然として、27時間のバイアス後に約1ボルトのシフトを示す。ePVDF−HFPをベースとするデバイスの長期ストレス効果についての情報を得るため、VD=VG=−0.5Vのバイアスを印加し、各バイアスステップ(30分の持続時間)の前及び直後の伝達特性を測定した。この測定を、120時間超の間、連続的に繰り返した。デバイスは、非常に安定なオン(ID)及び漏れ(IG)電流を示した(図9B)。閾値電圧は、±25mV未満の小さい変化を示し、120時間後でさえもドリフトがなかった。90時間超の期間、脱イオン水下に置いた同様のデバイスもまた、バイアスストレスをほとんど示さず、安定なIDと、わずかな漏れ電流の低下のみを示した。加えて、3か月を超える期間、周囲条件下で保管されたデバイス、並びに、24時間超の期間、脱イオン水中に浸漬されたデバイスを用いて、e−PVDF−HFP誘電体の安定性を試験し、いずれも、容量値における無視できるほどの変化しか示さなかった。これは、このようなVTH及び電流出力の小さい変化を示すように水に直接曝露させた活性材料を用いて連続的なバイアス下で駆動させたOTFTの最初の例である。空気及び水の両方への直接曝露に伴う予期せぬデバイス安定性は、e−PVDF−HFP誘電体の高い周囲及び水安定性、並びに、PTDPPTFT4半導体の高い安定性に直接的に関係する。これらの結果は、e−PVDF−HFPが、予期せぬデバイス安定性及び低い漏れ電流を維持するとともに、典型的な二重層充電誘電体の利点、すなわち、低い電圧動作及び高トランスコンダクタンスを提供することを示唆している。これは、高い電流出力を必要とする用途及びセンサ用途にとって特に有用である。
結果は、極性ゴム状誘電材料e−PVDF−HFPが、1μmを超える厚さの誘電体層を用いたにもかかわらず、低い動作電圧において、OTFTのトランスコンダクタンスを高めることを実証している。高いOTFT性能は、誘電材料における電気二重層の形成に起因し、低いイオン濃度におけるポリマー誘電体では滅多に観察されない。結果はまた、通常のポリマー電解質(10−4〜10−5秒/cm)又はイオン液体/ゲル(10−2〜10−4秒/cm)よりも数桁小さい、極めて低いイオン導電性(8×10−11秒/cm)においてさえも、OTFT伝達特性における電気二重層充電の顕著な影響が存在することも示している。弾性フッ素化ポリマーの高い極性と低いTgとの組合せは、二重層キャパシタ効果をもたらし、したがって、デバイスにおいて観察される高いトランスコンダクタンスにつながる。この誘電材料は、有機半導体を超越するさまざまな半導体材料に適用可能である。その低いコスト、標準的な製造技法との適合性、低い駆動電圧、並びに、空気及び水性媒体中での高い安定性に起因して、極性ゴム状ポリマー誘電体は、バイオメディカルデバイス、センサ、ウェアラブルエレクトロニクス、及び伸縮性デバイスなど、実際的な用途に好適である。
ポリマー半導体、P3HT(Aldrich社製)、PTDPPTFT4(Corning Incorporated社提供)及びPCBM(Sigma−Aldrich社製)を、それ以上精製することなく、そのまま使用した。PII2Tを、先に報告された手順に従って合成した。e−PVDF−HFPは、3M Co社から購入した(3M(商標)Dyneon(商標)フッ素エラストマーFE)。それ(1.2g)を、不活性雰囲気下、一晩攪拌することによって10mLの無水2−ブトン(butone)中に溶解させた。得られた溶液を0.2μmのPTFEフィルタに通してろ過し、高度にドープされたn−型Si(100)(<0.004Ω・cm)基板上に、1500rpmで1分間、スピンコーティングした。次に、膜を、80℃で10分間、乾燥させ、その後、180℃で6時間、架橋させた。
半導体ポリマー及びPCBMを、それぞれ、1000rpmで1分間、クロロベンゼン(P3HT、5mg/mL)、ジクロロベンゼン(PII2T、5mg/mL)、クロロベンゼン(PTDPPTFT4、5mg/mL)、及びクロロホルム(PCBM、10mg/mL)から、フッ素エラストマーの上部にスピンコーティングした。次に、半導体ポリマーを不活性雰囲気下、120℃で1時間、アニーリングして残留溶媒を除去した。化学気相成長法を使用して、単層グラフェン膜をCu箔上に成長させた。連続して、CVDで成長させたグラフェンシートを、デバイス製造のためにe−PVDF−HFP/Si基板上に移動させた。次に、金ソース−ドレインコンタクトを、半導体薄膜の上部のシャドウマスクを通じて蒸発させた(トップコンタクト)。
Keithley4200半導体パラメータアナライザ(米国オハイオ州クリーブランド所在のKeithley Instruments社製)を使用して、N2を充填したグローブボックス内又は空気中で、TFT伝達及び出力特性を記録した。Agilent E4980A Precision LCRメータ及びBiologic VMP3電気化学ワークステーションを使用して、誘電材料の容量を測定した。外部抵抗を加え、電圧源としてKeithleyモデル2400及び電圧計としてKeithleyモデル2635Aを適用して、RC回路の充電/放電に基づいた準DC容量の測定を行った。
交差偏光光学顕微鏡(Leica DM4000M)を用いて、光学顕微鏡写真を記録した。Dektak150プロフィロメータ(Veeco Metrology Group社製)上で厚さの測定を行った。Multimode Nanoscope III(Digital Instruments/Veeco Metrology Group社製)を使用して、タッピングモード原子間力顕微鏡を行った。TA Instruments Q2000で示差走査熱量測定を行った。12.7keVの光子エネルギーを有するビームライン11−3に、Stanford Synchrotron Radiation Lightsource(SSRL)で微小角X線回折(GIXD)実験を行った。2Dイメージプレート(MAR345)を使用して、回折したX線を検出した。検出器は、試料中心から400mmであった。入射角を、全反射率に対応する臨界角をわずかに下回る0.08度に保ち、活性層の下の非晶質誘電体由来の散乱バックグラウンドを低減した。0.12度の入射角において、活性層の回折ピークはバックグラウンド散乱によってかき消された(drown)のに対し、0.08度未満の入射角では、活性層由来の信号は、より弱くなる。曝露時間は6分間であった。wxDiffソフトウェアを使用してGIXDデータを解析した。
上記記載は特定の実施形態について言及しているが、本発明はそのように限定されないことが理解されよう。当業者は、開示される実施形態にさまざまな修正がなされうること、及び、このような修正が本発明の範囲内にあることが意図されていることを理解するであろう。本明細書に引用される公開公報、特許出願、及び特許はすべて、それらの全体を参照することによって本明細書に取り込まれる。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態1
有機薄膜トランジスタであって、
第1のゲート、
第2のゲート、
前記第1のゲートと第2のゲートとの間に配置され、かつ、チャネルとして動作するように構成された半導体層、
前記半導体層の対向する側に接続されたソース電極及びドレイン電極、
前記半導体層を通る電流の流れ方向に前記第1のゲートと前記半導体層との間に位置した第1の誘電体層であって、前記第1のゲートに設定電圧が印加されたときに二重層充電効果を示す極性エラストマー性誘電材料を含む、第1の誘電体層、及び
前記第2のゲートと前記半導体層との間に位置した第2の誘電体層
を含む、有機薄膜トランジスタ。
有機薄膜トランジスタであって、
第1のゲート、
第2のゲート、
前記第1のゲートと第2のゲートとの間に配置され、かつ、チャネルとして動作するように構成された半導体層、
前記半導体層の対向する側に接続されたソース電極及びドレイン電極、
前記半導体層を通る電流の流れ方向に前記第1のゲートと前記半導体層との間に位置した第1の誘電体層であって、前記第1のゲートに設定電圧が印加されたときに二重層充電効果を示す極性エラストマー性誘電材料を含む、第1の誘電体層、及び
前記第2のゲートと前記半導体層との間に位置した第2の誘電体層
を含む、有機薄膜トランジスタ。
実施形態2
前記設定電圧が、前記半導体層に自由キャリアを誘起するように構成されていることを特徴とする、実施形態1に記載の有機薄膜トランジスタ。
前記設定電圧が、前記半導体層に自由キャリアを誘起するように構成されていることを特徴とする、実施形態1に記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態3
前記自由キャリアが、前記有機薄膜トランジスタのスイッチング速度を増加させることを特徴とする、実施形態2に記載の有機薄膜トランジスタ。
前記自由キャリアが、前記有機薄膜トランジスタのスイッチング速度を増加させることを特徴とする、実施形態2に記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態4
前記第1の誘電体層が、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)材料を含むことを特徴とする、実施形態2又は実施形態3に記載の有機薄膜トランジスタ。
前記第1の誘電体層が、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)材料を含むことを特徴とする、実施形態2又は実施形態3に記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態5
前記有機薄膜トランジスタが、共面配置又は千鳥型配置を有することを特徴とする、実施形態1〜4のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
前記有機薄膜トランジスタが、共面配置又は千鳥型配置を有することを特徴とする、実施形態1〜4のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態6
前記有機薄膜トランジスタが、トップゲート又はボトムゲート配置を有することを特徴とする、実施形態1〜5のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
前記有機薄膜トランジスタが、トップゲート又はボトムゲート配置を有することを特徴とする、実施形態1〜5のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態7
前記第1のゲートの長さが、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流の流れ方向に取った前記第2のゲートの長さと同じであることを特徴とする、実施形態1〜6のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
前記第1のゲートの長さが、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流の流れ方向に取った前記第2のゲートの長さと同じであることを特徴とする、実施形態1〜6のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態8
前記ソース電極と前記ドレイン電極のうちの少なくとも一方の一部が、前記第1のゲートと前記第2のゲートとの間に延在することを特徴とする、実施形態1〜7のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
前記ソース電極と前記ドレイン電極のうちの少なくとも一方の一部が、前記第1のゲートと前記第2のゲートとの間に延在することを特徴とする、実施形態1〜7のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態9
設定電圧が、前記半導体層を通る電流の流れ方向で前記第1のゲートに印加されたときに、前記半導体層に自由キャリアが生成することを特徴とする、実施形態1〜8のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
設定電圧が、前記半導体層を通る電流の流れ方向で前記第1のゲートに印加されたときに、前記半導体層に自由キャリアが生成することを特徴とする、実施形態1〜8のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態10
前記半導体層の前記第1のゲートと同じ側に配置され、かつ、前記第2のゲートに電気的に接続された第3のゲートをさらに含むことを特徴とする、実施形態1〜9のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
前記半導体層の前記第1のゲートと同じ側に配置され、かつ、前記第2のゲートに電気的に接続された第3のゲートをさらに含むことを特徴とする、実施形態1〜9のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態11
前記第1の誘電体層が、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)を含むことを特徴とする、実施形態1〜10のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
前記第1の誘電体層が、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)を含むことを特徴とする、実施形態1〜10のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態12
前記第1のゲートが、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流の流れ方向において、前記第3のゲートより長いことを特徴とする、実施形態11に記載の有機薄膜トランジスタ。
前記第1のゲートが、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流の流れ方向において、前記第3のゲートより長いことを特徴とする、実施形態11に記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態13
前記第1及び第2のゲートが、前記半導体層のオフセット領域が前記第2のゲートと重なり、かつ、前記第1のゲートとは重ならないように、互いにオフセットされることを特徴とする、実施形態1〜12のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
前記第1及び第2のゲートが、前記半導体層のオフセット領域が前記第2のゲートと重なり、かつ、前記第1のゲートとは重ならないように、互いにオフセットされることを特徴とする、実施形態1〜12のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態14
前記オフセット領域が、前記ソース電極よりも前記ドレイン電極のより近くに位置することを特徴とする、実施形態13に記載の有機薄膜トランジスタ。
前記オフセット領域が、前記ソース電極よりも前記ドレイン電極のより近くに位置することを特徴とする、実施形態13に記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態15
前記第1の誘電体層の厚さが、約100nm〜約1μmの範囲にあることを特徴とする、実施形態1〜14のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
前記第1の誘電体層の厚さが、約100nm〜約1μmの範囲にあることを特徴とする、実施形態1〜14のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態16
前記第2の誘電体層が、前記第1の誘電体層とは異なる材料を含むことを特徴とする、実施形態1〜15のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
前記第2の誘電体層が、前記第1の誘電体層とは異なる材料を含むことを特徴とする、実施形態1〜15のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
実施形態17
有機薄膜トランジスタの製造方法であって、
基板上に第1のゲートを形成する工程、
前記第1のゲート上に第1の誘電体層を形成する工程、
前記第1の誘電体層上にチャネルとして動作するように構成された半導体層を形成する工程、
前記半導体層上に第2の誘電体層を形成する工程、
前記第2の誘電体層上に第2のゲートを形成する工程
を含み、
前記第1及び第2の誘電体層のうちの一方が、極性エラストマー性誘電材料を含み、
前記第1及び第2のゲートが、設定電流及びゲート電流のうちの異なる方を受け入れるように構成される、
方法。
有機薄膜トランジスタの製造方法であって、
基板上に第1のゲートを形成する工程、
前記第1のゲート上に第1の誘電体層を形成する工程、
前記第1の誘電体層上にチャネルとして動作するように構成された半導体層を形成する工程、
前記半導体層上に第2の誘電体層を形成する工程、
前記第2の誘電体層上に第2のゲートを形成する工程
を含み、
前記第1及び第2の誘電体層のうちの一方が、極性エラストマー性誘電材料を含み、
前記第1及び第2のゲートが、設定電流及びゲート電流のうちの異なる方を受け入れるように構成される、
方法。
実施形態18
前記極性エラストマー性誘電材料が、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)を含むことを特徴とする、実施形態17に記載の方法。
前記極性エラストマー性誘電材料が、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)を含むことを特徴とする、実施形態17に記載の方法。
実施形態19
前記第1及び第2のゲートが、前記半導体層を通る電流の流れ方向において、実質的に同じ長さを有することを特徴とする、実施形態17又は実施形態18に記載の方法。
前記第1及び第2のゲートが、前記半導体層を通る電流の流れ方向において、実質的に同じ長さを有することを特徴とする、実施形態17又は実施形態18に記載の方法。
実施形態20
前記第2のゲートが、前記半導体層を通る電流の流れ方向において、前記第1のゲートより長いことを特徴とする、実施形態17〜19のいずれかに記載の方法。
前記第2のゲートが、前記半導体層を通る電流の流れ方向において、前記第1のゲートより長いことを特徴とする、実施形態17〜19のいずれかに記載の方法。
実施形態21
実施形態1〜16のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタの動作方法であって、
前記第1のゲートに設定電圧を印加して、前記第1の誘電体層に自由キャリアの形成を誘起する工程、及び
電流が前記半導体層を通って流れるように、前記第2のゲートに信号電圧を印加する工程、
を含む、方法。
実施形態1〜16のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタの動作方法であって、
前記第1のゲートに設定電圧を印加して、前記第1の誘電体層に自由キャリアの形成を誘起する工程、及び
電流が前記半導体層を通って流れるように、前記第2のゲートに信号電圧を印加する工程、
を含む、方法。
実施形態22
前記設定電圧が、前記ポリマー誘電体層と前記半導体層との間の界面に第1の電界、及び前記ポリマー誘電体層と前記第1のゲートとの間の界面に第2の電界を生じることを特徴とする、実施形態21に記載の方法。
前記設定電圧が、前記ポリマー誘電体層と前記半導体層との間の界面に第1の電界、及び前記ポリマー誘電体層と前記第1のゲートとの間の界面に第2の電界を生じることを特徴とする、実施形態21に記載の方法。
実施形態23
前記第1及び第2のゲートにオーバードライブ電圧を印加して、前記半導体層に電流ピンチオフ領域を生成する工程をさらに含むことを特徴とする、実施形態21又は実施形態22に記載の方法。
前記第1及び第2のゲートにオーバードライブ電圧を印加して、前記半導体層に電流ピンチオフ領域を生成する工程をさらに含むことを特徴とする、実施形態21又は実施形態22に記載の方法。
実施形態24
前記設定電圧が約1〜約3ボルトの範囲にあることを特徴とする、実施形態21〜23のいずれかに記載の方法。
前記設定電圧が約1〜約3ボルトの範囲にあることを特徴とする、実施形態21〜23のいずれかに記載の方法。
実施形態25
前記ポリマー誘電体層が、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)を含むことを特徴とする、実施形態21〜24のいずれかに記載の方法。
前記ポリマー誘電体層が、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)を含むことを特徴とする、実施形態21〜24のいずれかに記載の方法。
実施形態26
前記信号電圧が約0〜約3ボルトの範囲にあることを特徴とする、実施形態21〜25のいずれかに記載の方法。
前記信号電圧が約0〜約3ボルトの範囲にあることを特徴とする、実施形態21〜25のいずれかに記載の方法。
実施形態27
前記第1及び第2のゲートが、前記半導体層のオフセット領域が前記第2のゲートと重なり、かつ、前記第1のゲートとは重ならないように、互いにオフセットされることを特徴とする、実施形態21〜26のいずれかに記載の方法。
前記第1及び第2のゲートが、前記半導体層のオフセット領域が前記第2のゲートと重なり、かつ、前記第1のゲートとは重ならないように、互いにオフセットされることを特徴とする、実施形態21〜26のいずれかに記載の方法。
実施形態28
信号電圧周波数が前記第1の誘電体層の応答時間より長い場合に、前記設定電圧がオフにされることを特徴とする、実施形態21〜27のいずれかに記載の方法。
信号電圧周波数が前記第1の誘電体層の応答時間より長い場合に、前記設定電圧がオフにされることを特徴とする、実施形態21〜27のいずれかに記載の方法。
実施形態29
前記有機薄膜トランジスタが、前記第2のゲートに電気的に接続された第3のゲートをさらに含み、前記方法が、前記第2及び第3のゲートに前記信号電圧を印加する工程をさらに含むことを特徴とする、実施形態21〜28のいずれかに記載の方法。
前記有機薄膜トランジスタが、前記第2のゲートに電気的に接続された第3のゲートをさらに含み、前記方法が、前記第2及び第3のゲートに前記信号電圧を印加する工程をさらに含むことを特徴とする、実施形態21〜28のいずれかに記載の方法。
102 基板
104a 第1のゲート/設定ゲート
104b 第2のゲート/信号ゲート
104c 第3のゲート/第2の信号ゲート
107 第2の誘電体層
108 半導体層
110 ソース電極
112 ドレイン電極
116 第1の誘電体層
120 ヘルムホルツ面
122 自由キャリア
124 電気接点
200,201,202,203 電界効果トランジスタ(FET)
104a 第1のゲート/設定ゲート
104b 第2のゲート/信号ゲート
104c 第3のゲート/第2の信号ゲート
107 第2の誘電体層
108 半導体層
110 ソース電極
112 ドレイン電極
116 第1の誘電体層
120 ヘルムホルツ面
122 自由キャリア
124 電気接点
200,201,202,203 電界効果トランジスタ(FET)
Claims (15)
- 有機薄膜トランジスタであって、
第1のゲート、
第2のゲート、
前記第1のゲートと第2のゲートとの間に配置され、かつ、チャネルとして動作するように構成された半導体層、
前記半導体層の対向する側に接続されたソース電極及びドレイン電極、
前記半導体層を通る電流の流れ方向に前記第1のゲートと前記半導体層との間に位置した第1の誘電体層であって、前記第1のゲートに設定電圧が印加されたときに二重層充電効果を示す極性エラストマー性誘電材料を含む、第1の誘電体層、及び
前記第2のゲートと前記半導体層との間に位置した第2の誘電体層
を含む、有機薄膜トランジスタ。 - 前記設定電圧が、前記半導体層に自由キャリアを誘起するように構成され、かつ、前記自由キャリアが、前記有機薄膜トランジスタのスイッチング速度を増加させることを特徴とする、請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記第1のゲートの長さが、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流の流れ方向に取った前記第2のゲートの長さと同じであり、前記ソース電極と前記ドレイン電極のうちの少なくとも一方の一部が、前記第1のゲートと前記第2のゲートとの間に延在し、任意選択的に、前記第1のゲートが、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流の流れ方向において前記第3のゲートより長いことを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記半導体層の前記第1のゲートと同じ側に配置され、かつ、前記第2のゲートに電気的に接続された第3のゲートをさらに含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記第1及び第2のゲートが、前記半導体層のオフセット領域が前記第2のゲートと重なり、かつ、前記第1のゲートとは重ならないように、互いにオフセットされており、任意選択的に、前記オフセット領域が、前記ソース電極よりも前記ドレイン電極のより近くに位置することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記第1の誘電体層の厚さが、約100nm〜約1μmの範囲にあることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記第1の誘電体層が、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)を含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 有機薄膜トランジスタの製造方法であって、
基板上に第1のゲートを形成する工程、
前記第1のゲート上に第1の誘電体層を形成する工程、
前記第1の誘電体層上にチャネルとして動作するように構成された半導体層を形成する工程、
前記半導体層上に第2の誘電体層を形成する工程、
前記第2の誘電体層上に第2のゲートを形成する工程であって、
前記第1及び第2の誘電体層のうちの一方が、極性エラストマー性誘電材料を含み、
前記第1及び第2のゲートが、設定電流及びゲート電流のうちの異なる方を受け入れるように構成されている、
工程、
前記第1のゲートに設定電圧を印加して、前記第1の誘電体層に自由キャリアの形成を誘起する工程、及び
電流が前記半導体層を通って流れるように、前記第2のゲートに信号電圧を印加する工程
を含む、方法。 - 前記設定電圧が、前記ポリマー誘電体層と前記半導体層との間の界面に第1の電界、及び前記ポリマー誘電体層と前記第1のゲートとの間の界面に第2の電界を生じることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 前記第1及び第2のゲートにオーバードライブ電圧を印加して、前記半導体層に電流ピンチオフ領域を生成する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項8又は請求項9に記載の方法。
- 前記設定電圧が約1〜約3ボルトの範囲にあり、前記信号電圧が約0〜約3ボルトの範囲にあることを特徴とする、請求項8〜10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1及び第2のゲートが、前記半導体層のオフセット領域が前記第2のゲートと重なり、かつ、前記第1のゲートとは重ならないように、互いにオフセットされることを特徴とする、請求項8〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 信号電圧周波数が前記第1の誘電体層の応答時間より長い場合に、前記設定電圧がオフにされることを特徴とする、請求項8〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記有機薄膜トランジスタが、前記第2のゲートに電気的に接続された第3のゲートをさらに含み、前記方法が、前記第2及び第3のゲートに前記信号電圧を印加する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項8〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記極性エラストマー性誘電材料が、エラストマー性ポリ(フッ化ビニリデン−co−ヘキサフルオロプロピレン)を含むことを特徴とする、請求項8〜14のいずれか一項に記載の方法。
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