JP2020096006A - 薄膜トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】トップゲート型有機薄膜トランジスタにおいて、撥水、撥油性の高い材料であるフッ素樹脂を絶縁層に用いた場合においても、表面改質を行うことなく、ゲート絶縁層とゲート電極の密着性が高く、歩留まりの高い薄膜トランジスタを提供することを課題とする。【解決手段】絶縁基板１０上に、ソース電極１１とドレイン電極１２と半導体層１３とゲート絶縁層１４とゲート電極１５を備えた薄膜トランジスタにおいて、ゲート絶縁層がフッ素樹脂からなり、ゲート絶縁層の上に形成するゲート電極にはフッ素化合物が含まれていることを特徴とする薄膜トランジスタ２０。【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜トランジスタに関する。

現在、一般的な平面薄型画像表示装置は、非晶質シリコンや多結晶シリコンを半導体層に用いた薄膜トランジスタアレイにより駆動されている。

また、平面薄型画像表示装置のさらなる薄型化、軽量化、耐破損性、フレキシブル化の向上を求めて、ガラス基板の替わりに樹脂基板を用いる試みが近年なされている。

特にマイクロカプセル型電気泳動方式の電子ペーパーにおいては、前面板がフレキシブル性を有するため、背面板となる薄膜トランジスタアレイのフレキシブル化が求められている。

しかし、上述のシリコンを用いる薄膜トランジスタの製造は、比較的高温の熱工程を要し、一般的に耐熱性の低い樹脂基板上に直接形成することは困難である。

そこで、低温形成が可能な有機半導体を用いた薄膜トランジスタ（有機薄膜トランジスタ）の開発が活発に行われている。

さらに、有機半導体は印刷法によってパターニングが可能であるという長所を有する。よって、有機薄膜トランジスタは、半導体層だけでなく、電極やゲート絶縁層を構成する材料についても、印刷法によって形成可能な材料を選択することにより、薄膜トランジスタを構成する層を全て印刷により形成することが可能となる。

印刷法を用いることにより、真空成膜・フォトリソグラフィーにより製造されるシリコン系薄膜トランジスタと比較して製造コストの大幅な削減が期待される。

有機半導体材料としては、縮合多環系の芳香族化合物やπ電子系の高分子材料が多く用いられるが、これらの材料は、シリコンや酸化物半導体と比較して空気中の水分や酸素の影響を受けやすく、耐薬品性に劣るため、半導体層直上に形成する層の材料および形成方法の影響により半導体特性の劣化が生じやすい。

一般的に、有機薄膜トランジスタはトップゲート型構造の方がボトムゲート型構造よりも高い素子特性が得られることが知られている。トップゲート型有機薄膜トランジスタの場合、半導体層の直上にはゲート絶縁層が形成される。ゲート絶縁層に用いられる材料として、半導体に損傷を与えない、フッ素樹脂を用いる技術が知られている（非特許文献１）。

しかし、トップゲート型有機薄膜トランジスタのゲート絶縁層にフッ素樹脂を用いた場合、絶縁層表面は撥水、撥油性が非常に高いため、ゲート絶縁層上にゲート電極を密着性よく形成するのが困難となる。ゲート電極の密着性の低下は、トランジスタの歩留まりの低下を招く。

フッ素樹脂からなるゲート絶縁層の表面に金属電極を形成するための一つの方法として、大気圧プラズマと表面グラフト化により表面改質を行い、その上に金属を含む導電性インクを塗布し、硬化させることで、絶縁層と密着性が高い金属膜を形成する技術が知られている（特許文献１）。

しかし上述の方法では、有機半導体／ゲート絶縁層上に大気圧プラズマを照射することとなり、素子特性の劣化が懸念される。

国際公開第２０１５／１２９６７５号

阿部武文他、「新フッ素性を用いたプリンテッドエレクトロニクス向けプロセス溶媒の選定」、旭硝子研究報告６６（２０１６）

本発明は、以上の点を鑑み、トップゲート型有機薄膜トランジスタにおいて、撥水、撥油性の高い材料であるフッ素樹脂を絶縁層に用いた場合においても、表面改質を行うことなく、ゲート絶縁層とゲート電極の密着性が高く、歩留まりの高い薄膜トランジスタを提供することを課題とする。

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、絶縁基板上に、ソース電極とドレイン電極と半導体層とゲート絶縁層とゲート電極を備えた薄膜トランジスタにおいて、
前記ゲート絶縁層がフッ素樹脂からなり、
前記ゲート絶縁層の上に形成するゲート電極にはフッ素化合物が含まれていることを特徴とする薄膜トランジスタである。

請求項２に記載の発明は、前記フッ素化合物が、フッ素基を含有する界面活性剤であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタである。

請求項３に記載の発明は、前記ゲート電極が、０．０５重量パーセント以上０．３０重量パーセント以下のフッ素化合物を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜トランジスタである。

請求項４に記載の発明は、前記半導体層が有機半導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜トランジスタである。

本発明のゲート絶縁層にフッ素樹脂を用いたトップゲート型有機薄膜トランジスタにおいては、フッ素化合物を含有するゲート電極を用いることにより、ゲート絶縁層の表面を改質せずとも、ゲート絶縁層と密着性の高いゲート電極を形成することができる。そのため、歩留まりの高いトップゲート型有機薄膜トランジスタを実現することができる。

本発明の一実施形態、及び実施例及び比較例に係る薄膜トランジスタの断面構造を表す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。実施の形態において、同一
構成要素には同一符号を付け、実施の形態の間において重複する説明は省略する。

＜有機薄膜トランジスタ＞
図１に本発明の有機薄膜トランジスタ２０の断面図の一例を示す。本発明の有機薄膜トランジスタ２０は、絶縁基板１０上にソース電極１１とドレイン電極１２が形成されている。それらのソース電極１１とドレイン電極１２の上から、その両者に跨って有機半導体層１３が形成されている。更に、ソース電極１１とドレイン電極１２と有機半導体層１３の上にゲート絶縁層１４が形成されている。更に、ゲート絶縁層１４の上に、有機半導体層１３と、ソース電極１１およびドレイン電極１２の一部と、に跨る様に、ゲート電極１５を備えたトップゲート−ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタ２０である。ただし、本発明の薄膜トランジスタの構造はトップゲート−トップコンタクト構造等の他の構造でも構わない。

次に、本発明の有機薄膜トランジスタ２０の構成要素について説明する。
（絶縁基板）
本発明の有機薄膜トランジスタ２０においては、絶縁基板１０として、ガラス基板または樹脂基板を用いることができる。特に有機薄膜トランジスタの利点を活かしたフレキシブルなデバイスを形成する場合は、樹脂基板を用いることが好ましい。

樹脂基板の材料としては、例えば、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、シクロオレフィンポリマー、ポリエーテルサルフェン、トリアセチルセルロース、ポリビニルフルオライドフィルム、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合樹脂、ガラス繊維強化アクリル樹脂フィルム、ガラス繊維強化ポリカーボネート、フッ素系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂等を使用することができる。これらの材料からなる基板は単独で使用することもできるし、二種以上を積層した複合基板を使用することもできる。

（ソース電極、ドレイン電極）
ソース電極１１とドレイン電極１２は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属材料、ＩＴＯ(酸化インジウム錫)、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）等の金属酸化物材料、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）等の有機導電性材料をインキ状、ペースト状にしたものを、スクリーン印刷、転写印刷、凸版印刷、インクジェット法等の印刷技術で塗布し、焼成することにより形成することができる。また、ソース電極１１とドレイン電極１２は、スパッタ法等の真空成膜法により成膜したＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属膜、またはＩＴＯ(酸化インジウム錫)、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）等の金属酸化物膜を、単層または積層した膜を、フォトリソグラフィー法等の手段を用いてパターニングすることにより得ることもできるが、これらに限定されるものではない。

（電極の表面処理）
ソース電極１１とドレイン電極１２については、電極の表面処理を行い、電極表面の仕事関数を制御し、有機半導体層１３とソース電極１１およびドレイン電極１２間の電荷注入効率を向上させることにより、薄膜トランジスタの素子特性を向上させる技術が好適に用いられる。表面処理方法としては、表面処理材料がソース電極１１およびドレイン電極１２と化学的に反応することで表面処理を行う、自己集積化膜（ＳＡＭ、Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）を好適に用いることができる。

ソース電極１１とドレイン電極１２のＳＡＭによる表面処理においては、電極の仕事関数をより大きくし、素子特性の向上に効果的であることから、特に、フッ素基を有する有
機分子が好適に用いられる。例えば、フルオロアルキルシラン系のフッ素含有のＳＡＭを挙げることができる。

（有機半導体層）
本発明の有機半導体層１３の材料としては、ポリチオフェン、フルオレンビチオフェン共重合体、およびそれらの誘導体のような高分子有機半導体材料、およびペンタセン、テトラセン、銅フタロシアニン、およびそれらの誘導体のような低分子有機半導体材料を用いることができる。また、カーボンナノチューブあるいはフラーレンなどの炭素化合物も半導体層の材料として用いることができるが、これらに限定されるものではない。

有機半導体層１３は、上述の有機半導体材料をテトラリンなどの芳香族系の溶媒に溶解又は分散させてインキ状の溶液又は分散液として、グラビア印刷、凸版印刷、スクリーン印刷およびインクジェット法などを用いて形成することができる。溶媒に適当な分散剤や安定剤等の添加剤を加えてもよい。また有機半導体層１３は、蒸着法等の真空成膜法やスピンコート法により有機半導体材料を全面形成した後、フォトリソグラフィー法等によりパターニングを行うという方法を用いて形成することもできるが、これらに限定されるものではない。

（ゲート絶縁層）
ゲート絶縁層１４としては、フッ素樹脂を用いる。フッ素樹脂は半導体直上に形成する際に半導体材料にダメージを与えないため、好適に用いられる。

ゲート絶縁層１４は、フッ素樹脂をフッ素系溶媒に溶解させて作製したインクを、スピンコート法、ダイコート法、凸版印刷法、スクリーン印刷法等の方法を用いて形成することができる。

（ゲート電極）
ゲート電極１５は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等の属材料、ＩＴＯ(酸化インジウム錫)、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）等の金属酸化物材料、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）等の有機導電性材料をインキ状、ペースト状にしたものに、フッ素化合物を添加し、スクリーン印刷、転写印刷、凸版印刷、インクジェット法等で塗布し、焼成することにより形成することができる。ゲート電極１５は、上述の材料をスピンコート、スリットコート等で全面塗布した後に、フォトリソグラフィー法等を用いてパターニングすることにより得ることもできるが、これらに限定されるものではない。

ゲート電極１５に添加するフッ素化合物としては、例えば、含フッ素アクリル樹脂、含フッ素ポリイミド、含フッ素エーテルポリマー、含フッ素環状エーテルポリマーなどの含フッ素ポリマーや含フッ素親水性基含有オリゴマー、含フッ素親油性基含有オリゴマー、含フッ素親水性・親油性基含有オリゴマー、パーフルオロエチレンオキシド付加物、パーフルオロアルキル基含有リン酸エステル、パーフルオロアルキル基含有リン酸エステルアミン中和物、含フッ素親水性・親油性基カルボキシル基含有オリゴマーなどの含フッ素界面活性剤などを挙げることができる。

ゲート電極１５に添加するフッ素化合物の濃度は、選択されるゲート電極１５の組成にもよるが、重量パーセント濃度において０．０５パーセント以上０．３０パーセント以下であることが好ましい。濃度が０．０５パーセント未満である場合には、ゲート電極１５とゲート絶縁層１４との間の界面エネルギーを十分下げることができず、密着性を向上させることができない。一方、濃度が０．３０パーセントを超える場合には、ゲート電極１５の抵抗率が所望の値を超えることとなる。ゲート電極の抵抗率は、１．０×１０^２μΩ・ｃｍ以下であることが好ましい。

ゲート電極１５を印刷法で形成する際、ゲート電極１５を構成する材料（インク）がゲート絶縁層１４上に濡れ性が悪くて印刷できない場合において、ゲート電極１５を構成する材料（インク）にフッ素化合物を含有させることで濡れ性が良くなり、ゲート絶縁層１４上に、ゲート電極１５のパターンを良好に形成させることができる。

以下、本発明の有機薄膜トランジスタの具体的な実施例及び比較例について説明する。なお、本発明は各実施例に限るものではない。

＜実施例１＞
図１に例示した様なトップゲート−ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタを作製した。
絶縁基板１０となるポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム上に、まず、インクジェット法を用いて、銀ナノ粒子を分散させたインクを吐出して形成したインクのパターンを焼成することにより、ソース電極１１とドレイン電極１２を形成した。

次に、６，１３−ビス（トリイソプロピルシリルエチニル）ペンタセン（ＴＩＰＳ−ペンタセン）をテトラリンに溶解させた溶液を、凸版印刷法を用いて、ソース電極１１とドレイン電極１２の間とそれらの電極の一部に跨って印刷し、乾燥させることによって有機半導体層１３を形成した。

次に、ソース電極１１とドレイン電極１２と有機半導体層１３の全てを被覆する様に、アモルファスフッ素樹脂材料サイトップ（ＡＧＣ製）を、スピンコート法を用いて成膜し、焼成して、ゲート絶縁層１４を形成した。

次に、低温焼成金属インクＦｌＯＷ ＭＥＴＡＬ（バンドー化学製）に、フッ素系界面活性剤サーフロン（ＡＧＣ製）と調整剤を分散させたインキを用いて、オフセット印刷法によりゲート電極となるパターンを、有機半導体１３と、ソース電極１１およびドレイン電極１２の一部に跨る様に印刷し、焼成して、ゲート電極１５を形成することにより有機薄膜トランジスタ２０を作製した。
なお、含フッ素界面活性剤は、焼成後のゲート電極１５に含まれる銀の重量に対してフッ素が０．３０ｗｔ％となる量を、予めＩＣＰ発光分析装置で確認し、添加した。

この様にして作製した有機薄膜トランジスタ２０は、ゲート電極１５の印刷転写率はほぼ１００％であり、ゲート絶縁層１４上にほぼ設計通りにゲート電極１５のパターンが印刷されていることを確認した。作製したゲート電極１５の抵抗率は９５μΩ・ｃｍであった。
また、作製した有機薄膜トランジスタ２０のゲート電極の密着性試験を、クロスカット試験（ＪＩＳ Ｋ ５６００：１９９９）を用いて行った結果、ゲート絶縁層１４とゲート電極１５の界面での剥離は観察されなかった。

＜実施例２＞
図１に例示した様なトップゲート−ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタを作製した。
ゲート電極１５を形成する低温焼成金属インクＦｌＯＷ ＭＥＴＡＬ（バンドー化学製）に、フッ素系界面活性剤サーフロンを、焼成後のゲート電極１５に含まれる銀の重量に対してフッ素が０．０５ｗｔ％となる量を添加したこと以外は実施例１と同様とした。その結果、ゲート電極１５の抵抗率が２０μΩ・ｃｍとなった。また、実施例１と同様に、作製した有機薄膜トランジスタ２０のゲート電極の密着性試験を、クロスカット試験（ＪＩＳ Ｋ ５６００：１９９９）を用いて行った結果、ゲート絶縁層１４とゲート電極１５の界面での剥離は観察されなかった。

＜比較例＞
図１に例示した様なトップゲート−ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタを作製した。
ゲート電極１５を形成するインキとして、フッ素系界面活性剤を含まない、低温焼成金属インクＦＬＯＷ ＭＥＴＡＬ（バンドー化学製）のみからなるインキを使用したこと以外は実施例１と同様とした。
その結果、ゲート電極１５の印刷転写率は２０％となり、ゲート絶縁層１４と、ゲート電極材料である低温焼成金属インクの濡れ性が低いためにゲート絶縁層上に設計通りにパターンを印刷することができないことを確認した。また、作製したゲート電極１５の抵抗率は１０μΩｃｍであった。作製した薄膜トランジスタのゲート電極１５の密着性試験を、クロスカット試験（ＪＩＳ Ｋ ５６００：１９９９）を用いて行った結果、ゲート絶縁層１４とゲート電極１５の界面に剥離が観察された。

以上、説明したように、本発明によれば、ゲート絶縁層にフッ素樹脂を用いたトップゲート型有機薄膜トランジスタにおいて、フッ素化合物を含有するゲート電極を用いることにより、フッ素樹脂からなるゲート絶縁層の表面を改質せずとも、ゲート絶縁層と密着性の高いゲート電極を有する薄膜トランジスタを実現することができる。

本発明で作製した薄膜トランジスタは、電子ペーパー表示装置、液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置などの表示装置や、圧電センサなどの各種センサに有適用できる。特に有機薄膜トランジスタおよびそれを用いたフレキシブルデバイスへの適用が期待される。

１０ 絶縁基板
１１ ソース電極
１２ ドレイン絶縁層
１３ 有機半導体層
１４ ゲート絶縁層
１５ ゲート電極

Claims (4)

1. 絶縁基板上に、ソース電極とドレイン電極と半導体層とゲート絶縁層とゲート電極を備えた薄膜トランジスタにおいて、
   前記ゲート絶縁層がフッ素樹脂からなり、
   前記ゲート絶縁層の上に形成するゲート電極にはフッ素化合物が含まれていることを特徴とする薄膜トランジスタ。
2. 前記フッ素化合物が、フッ素基を含有する界面活性剤であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタ。
3. 前記ゲート電極が、０．０５重量パーセント以上０．３０重量パーセント以下のフッ素化合物を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜トランジスタ。
4. 前記半導体層が有機半導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜トランジスタ。

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