JP4001821B2 - 有機電界効果トランジスタ用の自己整合接触ドーピング方法 - Google Patents

有機電界効果トランジスタ用の自己整合接触ドーピング方法 Download PDF

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Description

本発明は、電気伝導性の有機化合物のドーピング（Dotierung）方法、有機電界効果トランジスタの製造方法、および有機電界効果トランジスタに関するものである。
有機半導体を使用した電界効果トランジスタは、非常に安価な製造コスト、可変的な、または、破損しにくい基板、または、大型の活性表面領域上に位置するトランジスタと集積回路との製造を必要とする、多くの電子機器にとって重要である。有機電界効果トランジスタは、例えば、アクティブマトリックス表示装置中の画素制御素子に適している。このような表示装置は、通常、アモルファスシリコン層または多結晶シリコン層を用いた電界効果トランジスタによって形成されている。これらの層を用いた上質のトランジスタを製造するためには、必要な温度が通常２５０℃以上であり、また、硬質で壊れやすいガラスまたは水晶基板が必要である。有機半導体を用いたトランジスタが製造される温度が、通常１００℃未満と比較的低いため、有機トランジスタによって、低コストで、可変的で、透明で、破損しにくいポリマー金属被膜（ガラスまたは水晶基板以上のかなりの利点がある）を用いたアクティブマトリックス表示装置を製造できる。
有機電界効果トランジスタ用の他の使用領域は、例えば、アクティブマーキング（aktive Kennzeichnung）と、商品（Waren）および原料（Guetern）の識別とに用いられるような、極めて安価な集積回路の製造にある。これらのいわゆる中継装置（Transponder）を、通常、単結晶シリコンを用いた集積回路を用いて製造する。このように製造すると、構成技術および接続技術を用いた場合、結果として高コストになってしまう。有機トランジスタを用いた中継装置を製造することによって、コストの大幅削減が実現し、この中継装置技術は、世界に向けた画期的躍進を達成できるだろう。
薄膜トランジスタを製造するには、通常、トランジスタの各層を蒸着するための４工程が必要である。第１工程では、基板にゲート電極を蒸着する。次に、その上にゲート誘電体を蒸着する。その次の工程では、ソースおよびドレイン電極を蒸着する。そして最後の工程では、ゲート誘電体上のソース電極とドレイン電極との間に、半導体を蒸着する。
H. Klauk, D.J. Gundlach, M. Bonse, C.-C. Kuo, T.N. Jackson（Appl. Phys. Lett. 76, 1692ページ〜1694ページ （2000年））によって、有機薄膜トランジスタ用の簡単な構造が提示されており、この構造では、トランジスタの各層を蒸着するために、３工程のみが必要である。すなわち、この場合、ゲート電極と、ソースおよびドレイン電極とを、１度の工程で基板上に蒸着する。次に、ゲート誘電体および有機半導体を蒸着する。この構造の場合、ゲート電極と、ソースまたはドレイン電極とが、重なり合うことはないので、有機半導体内に、ゲート電極の領域からの影響を受けない領域が形成される。したがって、この領域における荷電粒子の移動度および密度は、比較的低く、ゲート電極に印加されている電圧によって上昇できない。しかし、ゲート電極から影響を受けない領域よりも伝導性チャネルを相対的に広げることによって、薄膜トランジスタをある程度まで改善できる。
有機電界効果トランジスタを使用する場合の主な問題点の１つは、ソースおよびドレイン接触部の電気的特性が比較的少ないことである。ソースおよびドレイン接触部は、ソース接触部において電荷粒子を半導体層に注入し、ドレイン接触部において半導体層から電荷粒子を抽出するために用いられる。それゆえ、電流は、ソースから半導体層を介してドレインに流れることができる。有機トランジスタのソースおよびドレイン接触部を、一般的に無機的金属および伝導性ポリマーによって形成することによって、接触部の電気伝導率をできる限り高めることができる。
ソースおよびドレイン接触部の電気的特性は、有機半導体物質の電気伝導率が低いゆえに、制限される場合がある。つまり、接触部自体の伝導性ではなく、接触部に隣接している半導体領域（そこに電荷粒子が注入されるか、または、そこから電荷粒子が摘出される）の伝導性が、制限を受ける。有機電界効果トランジスタの使用に適した大部分の有機半導体の電気伝導率は、非常に低い。例えば、有機電界効果トランジスタの製造によく用いられるペンタセンの電気伝導率は、約１０-14Ω-1ｃｍ-1と非常に低い。有機半導体の電気伝導率が低ければ、ソースおよびドレイン接触部の接触抵抗は非常に高くなる場合が多い。このことによって、電荷粒子を注入・抽出するために、接触部の電界強度を必然的に上げてしまう。それゆえ、ソースおよびドレイン接触部の電気的特性を改善するために、つまり、接触抵抗を低減するために、接触部に隣接する領域の有機半導体物質の電気伝導率を上げる必要がある。
他方、チャネル領域中の有機半導体の電気伝導率が上がると、トランジスタの特性に悪影響を及ぼしてしまう。チャネル領域とは、ソース接触部とドレイン接触部との間に位置するとともにゲート電極から続く（angelegte）電界によって電気伝導率が制御される、電界効果トランジスタの領域である。電荷粒子チャネルの電気伝導率が非常に高いと、漏れ電流は必然的に高くなる。つまり、スイッチを切った状態での電流強度は相対的に高くなる。しかし、使用範囲を拡大するためには、チャネル領域における漏れ電流が、１０-12Ａまたはそれ以下と低くなければならない。その上、チャネル領域の電気伝導率が高いと、最大ターンオン電流と最小ターンオフ電流との間の比は極度に小さくなる。この比がトランジスタの変調状態および増幅状態を反映しているので、使用範囲を拡大するために、この領域におけるスイッチオン電流とスイッチオフ電流との間の最大許容比（moeglichst grosses Verhaeltnis）を１０７またはそれ以上必要とする。
したがって、接触特性を改善するために、チャネル領域では、半導体の電気伝導率を下げる必要がある一方、ソースおよびドレイン接触部の領域では、電気伝導率を上げる必要がある。
アモルファスシリコン層または多結晶シリコン層を用いた電界効果トランジスタの製造中に、ソースおよびドレイン接触部の近傍に位置するシリコン層にリンまたはホウ素を注入することによって、接触領域のドーピングが行われる。シリコンネットワークには、リンまたはホウ素原子が組み込まれ、それらが電荷ドナーまたは電荷アクセプタとして機能した結果、自由電荷粒子の密度、したがってドープされた領域中のシリコンの電気伝導率が上昇する。また、不純物（添加物、Dotiersubstanz）を、ソースおよびドレイン接触部（チャネル領域ではなく）においてのみ、シリコンに注入する。リンおよびホウ素がシリコンとの共有結合を形成するので、これらの原子がチャネル領域へ拡散しても危険ではない。この結果、電荷粒子中の電気伝導率を低く保つことができる。
同様に、多数の有機半導体の電気伝導率を、適切な不純物を注入することによって上昇できる。しかし、問題は、ドープしている間に位置選択性を達成することである。有機半導体の場合、不純物は、特定の位置に限定されていないし、物質内で自由に移動できる。ドーピングプロセスが、本来、ある領域（例えばソースおよびドレイン接触部の周辺領域）に限定される場合でさえ、不純物は、後に、全有機半導体層を介して、特に、トランジスタを駆動するためにソース接触部とドレイン接触部との間に供給される電界の影響を受けて移動する。有機半導体層内での不純物の拡散によって、チャネル領域の電気伝導率は必然的に上昇する。
不純物の位置固定は、通常、電気伝導性有機化合物を用いる場合には困難である。したがって、本発明の目的は、不純物の位置が変わらずに固定されていることによって、電気伝導性有機化合物内の不純物が電界の影響を受けても拡散しなくなる、電気伝導性有機化合物へのドーピング方法を提示することにある。
この目的を、活性化放射線を用いて照射（露光）することによって活性化可能な不純物を、電気伝導性有機化合物に注入し、この有機化合物に対して活性化放射線を照射することによって、活性化された不純物を電気伝導性有機化合物内に不可逆的に固定する、電気伝導性有機化合物のドーピング方法によって達成する。
このように不純物を注入することによって、電気伝導性有機化合物の電気伝導率を上げることができる。電気伝導性有機化合物内のこの不純物は不可逆的に固定されているので、例えば電界中での、ドーピングの拡散による困難はもはや生じない。
この電気伝導性有機化合物は、本来、いかなる制限も受けていない。好ましい化合物として、ポリエン（例えば、アントラセン、テトラセンまたはペンタセン、ポリチオフェンまたはオリゴチオフェン、および、それらの置換誘導体（substituierte Abkoemmlinge）、ポリピロール、ポリ−ｐ−フェニレン、ポリ−ｐ−フェニルビニリデン、ナフタレンジカルボン酸無水物（Napththalindicarbonsaeuredianhydride）、ナフタリンビスイミド、ポリナフタリン、フタロシアニン、フタロシアニン銅またはフタロシアニン亜鉛、および、それらの置換式誘導体、特にフッ素化誘導体）を挙げることができる。
また、活性化放射線（Aktivierungsstrahlung）として、活性状態にある不純物が化学変化する、あらゆる放射線を使用してもよい。例えば、照射によって結合を切断することによって、遊離基が発生する。この基は、その後、電気伝導性化合物と反応することによって、結合を形成する。この活性化放射線の波長は、通常、約１０−９ｍ〜１０−５ｍである。また、活性化放射線としては、単色光が使用されるか、あるいは、好ましくは多色光が使用される。活性化放射線に適した光源は、例えば、紫外線を放射する水銀高圧電球である。
この不純物は、制限を受けていない。原理的には、以下の反応工程を行うことのできる、あらゆる有機物質、無機物質、および、金属有機物質が、不純物に適している。以下の反応工程とは、不純物を、
１．電気伝導性有機化合物へ可逆的に拡散させ、
２．注入・拡散された化合物内で、電気伝導性有機化合物内の不純物を固定する化学反応を引き起こすのに高温を用いる場合、適切な波長の光を照射する工程である。
不純物をもっとも簡単に形成するために、塩素、臭素またはヨウ素、または、それらのハロゲン間化合物のような、ハロゲン化合物を使用する。これらの化合物は、電気伝導性有機化合物を分子状でドープする。不純物を適切な波長の光で照射することによって、電気伝導性有機化合物を光ハロゲン置換する。この場合、ハロゲンと半導体物質が共有結合することにより、後続の拡散が防止される。これらのハロゲンを、溶液および気相の状態で供給できる。
同様に、ホウ素（ボラン）、リン（ホスファン、リン化水素）、ヒ素、アンチモン、硫黄、ゲルマニウム、および、ケイ素の、高揮発性またはガス状の化合物が照射に簡単に用いられるが、光が照射されない状態では有機半導体と自発的に（nicht spontan）反応する官能基を有する場合、それらの化合物を使用してもよい。
特に、Ｎｉ（ＣＯ）４、Ｆｅ（ＣＯ）５、ＣＯ（ＣＯ）６、Ｍｏ（ＣＯ）６、Ｃｒ（ＣＯ）６のようなカルボニル金属化合物が、不純物に適している。なぜなら、それらは光化学変化を起こしやすく（fotolabil）、一酸化炭素の分解によって配位不飽和の形状（koordinativ ungesaettigte Spezies）に化学変化するからである。これらの配位不飽和の形状は、通常芳香性の電気伝導性有機化合物によって配位結合が形成されることによって、固定される。この固定は、好ましい温度範囲（３００℃まで）では不可逆的である。光化学的に分解された一酸化炭素は、有機半導体層から拡散する。遷移金属のカルボニル錯体と同様に、部分的に置換されたそれら（遷移金属のカルボニル錯体）の誘導体も適している。例えば、ホスフィン、シクロペンタジエニル配位子、シクロブタジエニル配位子、または、シクロオクタテトラエニル配位子との化合物である。
使用可能な有機金属の範囲は、カルボニル錯体のみに限定されず、基本的には、照射する際に高揮発性・高拡散性の化合物を分解し、続いて電気伝導性有機化合物との配位結合を形成することによって飽和する全ての化合物が、適している。適した化合物に関する他の例は、Ｍｏ（Ｎ２）２（ＰＨ３）４またはＰｄ（Ｒ−Ｃ＝Ｃ−Ｒ）２である。このとき、Ｒは、有機基（organischen Rest）を表している。光放射する間、これらの化合物は、高揮発性化合物をＮ２、Ｐ（ＣＨ３）３、Ｐ（Ｃ２Ｈ５）３、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、シクロブタン、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等のように分解する。
この化合物類（Verbindungsklasse）の利点は、電気伝導性有機化合物に対して不活性な溶媒中の揮発性または可溶性が高い点にある。
特に、拡散用の不純物を電気伝導性有機化合物に溶解できる、適切な不溶性溶媒の例として、ペンタン、ヘキサン、および、ヘプタンのようなアルカン、ベンゼン、トルエン、または、キシレンのような芳香族、メタノール、エタノール、または、プロパノールのようなアルコール系溶剤、アセトン、エチルメチルケトン、および、シクロヘキサノンのようなケトン、酢酸エチルまたは乳酸エチルのようなエステル、γ−ブチロラクトン、Ｎ−メチルピロリドンのようなラクトン、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、または、クロロベンゼンのようなハロゲン化溶媒がある。また、上記溶媒の混合物を使用することもできる。
また、不純物として使用できる有機化合物の数は、きわめて多い。しかし、特に適しているのは、ガス状または高気化性のジアゾ化合物ジアゾメタンおよびジアゾ塩化メチレンのような高反応化合物である。これらの化合物は、照射の際、電気伝導性有機化合物とともに自然に反応する。
また、照射後には、結合されていない不純物を、電気伝導性有機化合物から再び除去することが好ましい。余分な不純物を、例えば、圧力を下げるか、あるいは、温度を上げることによって除去するのがよい。特に電気伝導性有機化合物が、露光されない領域を含んでいると、この領域中の浄化されていない不純物を除去した後、有機化合物の電気伝導率は、再び元の値となる。
本発明の要点は、不純物が電気伝導性有機化合物中で不可逆的に固定される、つまり、電気伝導性有機化合物から拡散することも、電界中で移動することもできない、ということである。好ましくは、不純物の不可逆的な固定は、共有結合の形成および／または電気伝導性有機化合物との配位結合を形成することによって行われる。
本発明による方法は、特に、トランジスタまたはダイオードといった、有機電子部品の製造に適している。したがって、有機半導体が、電気伝導性有機化合物であることが好ましい。本発明の方法を用いたドーピングによって、有機半導体の電気伝導率は、１０の数乗以内で変化できる。有機半導体とは、有機化合物であり、その電気伝導率は標準的な絶縁体よりも高く、標準的な金属よりも低い。特に、有機半導体の特徴は、その電気伝導率を広範囲で変更できること、つまり、適切な不純物を注入することによって、または、電界に影響を及ぼすことによって変更できることにある。
本発明による方法は、例えばアクティブマトリックス表示装置の制御に用いられるような、面積の広い電子回路配置の製造にも適している。また、電気伝導率が異なった領域を形成できるように、電気伝導性有機化合物の照射を部分的に実施することが好ましい。このことによって、電気伝導性有機化合物の電気伝導率は、照射された領域でのみ上昇し、他方、照射されなかった領域では、浄化されなかった不純物を除去した後、この電気伝導率は、再び本来の値となる。
この部分的な照射を、例えばフォトマスクを用いて実施でき、半導体素子の製造によって知られている通常の方法を、使用できる。
本発明の特に好ましい実施形態にしたがって、電気伝導性有機化合物中には、照射に用いられる活性化放射線に対して不透過な光不透過領域がある。そして、照射の間、照射に用いられる放射光源から電気伝導性有機化合物の方向を見ると光不透過領域の後ろに配置されており、電気伝導性化合物中の照射されない部分が維持される。この光不透過領域は、放射光源から離れた側面に配置された電気伝導性有機化合物の領域を、活性化放射線から保護する。この結果、この領域では、不純物はドープされず、このため、電気伝導率も上昇しない。したがって、電気伝導性有機化合物中の光不透過領域を正確に配置することによって、フォトマスクを使用する必要がなくなる。このことによって、このような有機電子部品の製造に関して、コストを著しく低減できる。また、これらの光不透過領域を、例えば、トランジスタのゲート電極から形成してもよい。
上述の方法は、基本的には、様々な有機電子部品の製造に適しているが、特に、有機電界効果トランジスタの製造に適している。なぜなら、これらのトランジスタは、より大きな電子部品の様々な層内の領域から構成されているからである。これら個々の層を、異なる部分中に非常に簡単で選択的に照射できる。
したがって、本発明は、有機電界効果トランジスタの製造方法に関するものでもある。この方法では、基板上に、ゲート電極、ソース接触部、ドレイン接触部、ゲート誘電体、および、有機半導体を蒸着する。また、この有機半導体に、活性化放射線を用いた照射によって活性化可能な不純物を注入する。活性化放射線による部分的な照射の結果、ソース接触部およびドレイン接触部に接する有機半導体領域に、有機半導体中の不純物が不可逆的に固定される。そして、ソース接触部およびドレイン接触部に接する接触領域の電気伝導率が上昇する。
この有機電界効果トランジスタは、標準的な構造も有している。しかし、その製造工程には、ソース接触部またはドレイン接触部と有機半導体との間の電荷粒子が後に移動される部分において電気伝導率を高める、ドーピング工程が挿入されている。有機半導体の特定の部分の電気伝導率を選択的に高めるために、有機半導体上に、公知の方法に従って、フォトマスクを塗布し、次に、その半導体を、適度な活性化長（例えばＵＶ放射線）で照射する。その結果、不純物は、有機半導体中で不可逆的に固定される。このとき、例えば、上述の他の不純物を使用してもよい。
本発明の特別な実施形態にしたがって、電界効果トランジスタの各部材を、フォトマスクを用いずに配置する。このために、活性化放射線に対して透過性の基板上に、ゲート電極、および、ゲート電極から間隔をあけたソース・ドレイン接触部を蒸着する。そして、基板を覆ってしまわないように、ゲート誘電体とソース接触部との間、および、ゲート誘電体とドレイン接触部との間の間隔を保つように、ゲート電極上にゲート誘電体を蒸着する。次に、基板、ソース接触部、ドレイン接触部、および、ゲート誘電体の上に、有機半導体を蒸着し、ゲート誘電体とソース接触部との間の間隔、および／または、ゲート誘電体とドレイン接触部との間の間隔を、有機半導体によって充填する。そして、活性化放射線を用いた照射によって活性化可能な不純物を、有機半導体に注入し、続いて、基板の側面から活性化放射線によって照射する。ソース接触部およびドレイン接触部に隣接している接触領域の有機半導体中の電気伝導率は、上昇する。最後に、余分な不純物を、有機半導体から除去する。
ゲート誘電体によって絶縁されているゲート電極は、照射光源から離れた側面に配置された有機半導体の領域から、活性化放射線を保護する。このことによって、これらの領域中を照射している間、有機半導体の不可逆的なドーピングは行われない。これらの領域に位置する不純物を照射後に再び除去すると、有機半導体の電気伝導率は、本来の低い状態になる。これらの領域は、伝導チャネル（Leitungskanal）、または、ゲート電極の電界（Feld）によって影響を受ける有機電界効果トランジスタのチャネル領域を形成する。また、これらの照射領域の有機半導体の電気伝導率は、１０の数乗まで高くなる。結果として、ソース電極と有機半導体との間の移動時に発生する接触抵抗は、著しく低下する。これによって、トランジスタの特性は著しく改善される。
また、ゲート電極、ソース接触部、および、ドレイン接触部を基板上に蒸着することが好ましい。この場合、ゲート電極、ソース接触部、および、ドレイン接触部は、同じ物質からなり、その蒸着は、各部分ごとに行われる。この結果、コストをさらに削減できる。
ゲート誘電体を、活性化放射線に対して透過性の物質から形成することが、特に好ましい。この場合、構造の裏面を照射する間、ゲート電極によって遮られた領域外のゲート誘電体の上に配置された有機半導体の領域も照射し、ドープする。ドープされた接触領域は、ゲート電極の電界（Feld）の影響を受けた領域に連続的に隣接している。ゲート誘電体に用いられる物質の選択は、活性化放射線の波長に応じて決まる。つまり、不純物の性質、および、不純物と半導体との間のエネルギーの相互作用に応じて決まる。例えば、二酸化シリコンは、可視的な光および近紫外線（nahen UV）の領域からの波長に対して透過性の性質を有しているが、約３５０ｎｍ未満の波長を有するＵＶ光に対しては不透過である。
上述したように、トランジスタの部材を正確に配置することによって、フォトマスクを使用する必要がなくなる。さらに、ソース接触部、ドレイン接触部、および、ゲート電極を、共通の駆動工程において基板に蒸着できるように、配置できる。このように、上述の方法によって、コストを抑えて製造できる、性能のよいトランジスタを実現できる。
したがって、本発明は、ゲート電極、それを絶縁しているゲート誘電体、ソース接触部、ドレイン接触部、および、ソース接触部とドレイン接触部との間に配置された有機半導体を備えた、有機電界効果トランジスタに関するものでもある。この有機半導体は、ソース接触部および／またはドレイン接触部に隣接しており、有機半導体中に不可逆的に固定された不純物がドープされている接触領域を備えている。
また、有機電界効果トランジスタが前面および裏面を備えており、その裏面に、有機半導体によって形成される部分が少なくとも１つ含まれている場合、特にコストを抑えた有機電界効果トランジスタを製造できる。活性化放射線により裏面を照射することによって、有機半導体によって形成された部分を、選択的に照射できる。照射された部分の電気伝導率は、不可逆的に固定された不純物ゆえに上昇する。
また、裏面に、有機半導体からなる部分に隣接し、かつソース接触部またはドレイン接触部によって形成される部分が、少なくとも１つ含まれていることが好ましい。この場合、ソース接触部およびドレイン接触部は、基板に境を接して配置されている。同様に、基板に配置された有機半導体の領域が、これら接触部に境を接している。有機半導体からなる部分は、不可逆的な不純物によってドープされていることが好ましく、したがって、その部分の電気伝導率は高い。このことによって、接触部と有機半導体との間の電荷粒子の移動が簡単になる。この不純物は、共有結合または配位結合によって有機半導体中に不可逆的に固定されていることが好ましい。
特に有効な実施形態にしたがって、有機電界効果トランジスタを上から見ると、ゲート電極、ソース接触部、および、ドレイン接触部は、重なり合っていないし、ゲート電極とソース接触部との間、および／または、ゲート電極とドレイン接触部との間には、不可逆的に固定された不純物がドープされている有機半導体の部分が配置されており、その部分の電気伝導率は高い。
ソース接触部およびドレイン接触部は、平面の層として形成されていることが好ましい。この場合、接触部とゲート電極との間で重なり合いが生じないので、有機半導体中に、ゲート電極の電界（Feld）から影響を受けない、ソース接触部とドレイン接触部との間の領域が存在している。しかし、上から見て、ソース接触部とゲート電極との間、または、ドレイン接触部とゲート電極との間に配置されている領域に、不純物がドープされているので、これらの領域の電気伝導率は、ゲート電極上に配置された有機半導体の部分よりも、１０の数乗だけ高い。したがって、トランジスタの機能は、これらの領域によって損なわれず、改善される。
ゲート電極およびソース接触部並びにドレイン接触部用の物質として、基本的には全ての金属、好ましくは、パラジウム、金、プラチナ、ニッケル、銅、アルミニウム、および、電気伝導性酸化物（例えば、酸化ルテニウムおよび酸化インジウムスズ）も、さらには、電気伝導性ポリマー（ポリアセチレンまたはポリアニリン）も適している。
また、基板として、コストを抑えた、可変性のポリマー金属薄膜が、ポリエチレンナフタレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、エポキシ樹脂、ポリイミド、ベンゾオキサゾール、ポリエーテル、および、電気伝導性に被膜されたそれらの変形、並びに、可変的な金属薄膜、ガラス、水晶、または、電気伝導性に被膜されたガラスを用いることが好ましい。
上記トランジスタは、コストを抑えつつ高性能のものを製造できる。ここで、基板として、特に可変性のポリマー金属被膜を用いてもよい。このことによって、例えばアクティブマトリックス表示装置において、または、中継装置に対して、多数の利用可能性が開発されている。
次に、本発明を、添付図面を参照しながら詳述する。図１ａ〜図１ｃは、種類の異なる有機電界効果トランジスタの従来の構造を示す断面図である。図２は、簡略化された構造のトランジスタを示す断面図である。図３は、接触領域のドープ用の自己整合的な裏面照射を説明するための図である。
図１ａ〜図１ｃに、本発明にしたがって変形された、従来の有機トランジスタの構造を示す。図１ａおよび図１ｂに示した有機トランジスタの構造は、蒸着工程およびパターン化工程をそれぞれ４回必要とし、他方、図１ｃに示した構造は、蒸着工程を３回だけ必要とする。
図１ａに示したトランジスタを製造する場合、初めに、基板１に金属層を蒸着し、パターン化することによって、ゲート電極２を作製する。この基板は、例えばガラスまたは水晶からなるか、または、有機ポリマーからも製造できる。このことによって、配置の可変性を上げることができる。ゲート電極２のパターン化を、通常の方法（例えばフォトリソグラフィー、ウェット化学エッチング、プラズマエッチング、印刷（Drucken）、または、リフトオフによって実施できる。次に、ゲート誘電体を、ゲート電極２、および、その周辺の基板１上に塗布することによって、ゲート電極を絶縁する。最後に、ゲート誘電体３の上に、ソース接触部４およびドレイン接触部５を塗布し、パターン化する。これらの接触部は、金属または電気伝導性ポリマーを含んでいる場合が多い。また、トランジスタを上から見て、これらの接触部がゲート電極２と重なり合う領域４ａおよび５ａが形成されるように、ソース接触部４およびドレイン接触部５を配置する。最後に、有機半導体層６を蒸着する。また、ソース接触部４とドレイン接触部５との間に、有機半導体を注入する。ゲート電極２上の接触部４と５との間に位置するこの領域は、有機半導体の電気伝導率がゲート電極２の電界（Feld）の影響を受けるチャネル領域７となる。したがって、この領域では、有機半導体の電気伝導率を低減する必要がある。ソース接触部４およびドレイン接触部５の上に配置されている接触領域８および９では、半導体は、不純物によってドープされている。したがって、これらの領域の電気伝導率は高く、このことによって、ソース接触部から有機半導体層６への、または、有機半導体層６からドレイン接触部５への電荷粒子の移動が簡単になる。有機半導体６の部分ごとに異なる電気伝導率を実施できるように、有機半導体６を、チャネル領域の光不透過性フォトマスク１０によって覆う。このフォトマスク１０を、通常の方法によって塗布しパターン化してもよい。特に、通常、これらのマスクが半導体技術によってフォトリソグラフィーに用いられるように、従来のガラス上のクロムマスク（Chrom-auf-Glas-Masken）または水晶上のクロムマスク（Chrom-auf-Quarz-Masken）を使用する可能性もある。次に、不純物を有機半導体６に注入し、本発明では、前面と示された有機半導体の側面から、活性化放射線（例えばＵＶ放射線）によって、トランジスタを照射する。また、不純物を活性化させ、有機半導体の照射領域での化学反応によって不可逆的に固定する。次に、フォトマスク１０を除去し、浄化されなかった不純物を、チャネル領域７から、高温でまたは低圧で再び除去する。したがって、有機半導体の電気伝導率は、チャネル領域７において、再び本来のように低減される。
図１ｂに示す構造は、ソース接触部４およびドレイン接触部５が有機半導体６の上に配置されている以外は、図１ａに示したトランジスタと比較できる。図１ａの構造にすでに示したように、初めに、ゲート電極２を基板１に蒸着し、ゲート誘電体３によって絶縁する。次に、誘電体３上に有機半導体層６を蒸着する。有機半導体層６は、不純物によって有機半導体の電気伝導率が上昇する接触領域８，９を含んでいる。チャネル領域７では、有機半導体にドープされないので、有機半導体の電気伝導率は低い。有機半導体６において電気伝導率の異なる領域を形成できるように、有機半導体層６の上に、初めに、接触領域７の領域を覆うフォトマスク（図示せず）を塗布し、パターン化する。次に、上述したように、不純物を、有機半導体層６に注入し、適切な放射線（例えばＵＶ放射線）による照射によって有機半導体６に固定する。この固定は、照射された領域にのみ行われる。次に、高温および低圧の状態で、浄化されなかった不純物を有機半導体から再び除去する。そして、変型された有機半導体層の上には、ソース接触部４およびドレイン接触部５を塗布する。これらは、以前に不純物がドープされた有機半導体の領域を覆っている。接触部４および５を、上から見て重複領域４ａ，５ａにおいてゲート電極２と重なり合っているように、配置する。この結果、電気伝導率の低いチャネル領域７の電気伝導率は、ゲート電極２の電界（Feld）から影響を受け、他方、電気伝導率の高いドーピング領域８，９は、ゲート電極の電界（Feld）からほとんど影響を受けない。最後に、フォトマスク（図示せず）を、再び、有機半導体層６から除去し、他の工程において、チャネル領域７になおも存在する結合されていない不純物を、高温および／または低圧で除去する場合もある。
基板１およびゲート誘電体３が活性化放射線に対して透過性の物質を含んでいる場合、図１ｂに示した電界効果トランジスタの部品の配置の形成方法を、さらに簡易化できる。ドープされる領域の照射は、基板１によって形成された側面から、活性化放射線によって配置の裏面を照射することによって行われる。ゲート電極２がチャネル領域７の領域を活性化放射線から防ぐことによって、この領域では、半導体へのドーピングは行われない。そして、ゲート電極は、自己整合的に作用するので、マスクを使用しなくてもよい。
図１ｃに、トランジスタの製造に蒸着工程を３回だけ必要とする、トランジスタの構造を示す。製造の際、初めに、基板１にゲート電極２およびソース接触部４・ドレイン接触部５を同時に蒸着・パターン化する。ソース接触部４またはドレイン接触部５と、ゲート電極２とは、互いに間隔をあけて基板１上に配置されており、通常、同じ物質（例えば、金属または電気伝導性ポリマー）を含んでいる。続いて、ゲート電極２の上にゲート誘電体３を蒸着することによって、ゲート電極を絶縁する。このとき、ソース接触部４とゲート電極２、または、ドレイン接触部５とゲート電極２との間隔に、ゲート誘電体３を注入する。このように形成された配置の上に、次の蒸着工程では、有機半導体層６を蒸着する。ソース接触部４、ドレイン接触部５、および、ゲート電極２は、図１ｃに示した配置では、１つの平面に配置されている。この結果、ソース接触部とドレイン接触部との間の半導体層６中に、ゲート電極の電界（Feld）から影響を受けない領域が生じる。したがって、ゲート電極２に電圧を印加しても、これらの領域では、有機半導体の電気伝導率は上昇しない。この不都合を調整するために、ゲート電極２の電界（Feld）から影響を受けない有機半導体６の領域に、不純物をドープする。これによって電気伝導率が上昇する。さらに、初めに、有機半導体の電気伝導率を低く保つ必要のあるチャネル領域７を、フォトマスク１０によって覆う。続いて、不純物を有機半導体６に注入し、前面（つまり、有機半導体６の側面）の構造（Anordnung）を照射することによって、有機半導体６に不純物を不可逆的に固定する。この結果、領域８，９は、ソース接触部４およびドレイン接触部５と接触しており、これらの領域の電気伝導率は上昇する。次に、フォトマスク１０を再び除去し、高温および／または低圧の状態で、結合されなかった不純物を有機半導体から再び除去する。この結果、半導体の電気伝導率は、チャネル領域７において、再び従来のように低減される。したがって、ゲート電極２の電界（Feld）から影響を受けない領域８，９は、それら領域の電気伝導率が高いので、有機トランジスタのスイッチ操作の間に重要性を失ってしまう。
本発明による有機トランジスタの特に有効な実施形態を、図２に示す。基板１上には、同様に、ソース接触部４、ゲート電極２、および、ドレイン接触部５を、互いに間隔をあけて並べて配置する。この場合、ソース接触部４およびドレイン接触部５並びにゲート電極２は、同じ物質を含んでいることが好ましい。ゲート電極２は、ゲート誘電体３によって絶縁されている。この構造は、ゲート誘電体３とソース接触部４との間隔１１ａ、および、ゲート誘電体３とドレイン接触部５との間隔１１ｂを有し、この間隔において、有機半導体６が基板１上に直接備えられているように、選択されている。ソース接触部４、ドレイン接触部５、ゲート誘電体３、および、基板１によって形成された構造上に、有機半導体層６が備えられている。この層は、有機半導体に不純物を不可逆的に固定することによって半導体の電気伝導率が著しく高まる領域８，９を含んでいる。ゲート電極２の電界（Feld）から影響を受けるチャネル領域７では、不純物は、有機半導体６に固定されていない。そのために、半導体の電気伝導率は、この領域において低減されている。
図２に示した有機トランジスタの製造を、図３に基づいて詳述する。
例えばガラスまたはポリマー金属薄膜が含まれる基板１の表面を洗浄した後、適切な電気伝導性物質（例えばパラジウムまたは金）の層を塗布し、パターン化する。こうすることによって、ゲート電極２、および、ソース接触部４およびドレイン接触部５を規定する。金属蒸着は、例えば、熱気相成長（thermisches Verdampfen）、カソードジェット噴霧（カソードスパッタリング陰極線の飛散）（Kathodenstrahlzerstaeubung）または印刷によって行われる。また、パターン化を、例えば、フォトリソグラフィー、化学エッチング、リフトオフ、または、印刷によって実施してもよい。続いて、例えば二酸化シリコン層または酸化アルミニウムまたは適切な有機絶縁体を蒸着・パターン化することによって、ゲート誘電体３を製造する。次に、有機半導体層６を形成するために、約５０ｎｍの厚さのペンタセン層を、気相から熱昇華によって蒸着する。また、続く全ての操作を、黄色灯を使って行う。このように調製された基板を、水晶窓が備え付けられた特殊鋼容器に入れ、この容器を真空状態にする。約１０ｍｂａｒの圧力で、３分間、窒素を流すことによって、鉄ペンタカルボニルを基板を介して通す（geleitet）。鉄ペンタカルボニルは、この間、有機半導体層６において拡散する。そして、裏面１２から、水晶窓を介して、水銀灯によって多色に、例えば３分間で１５ｍＷ／ｃｍ２、基板を照射する。この水銀灯から放射された活性化放射線は、不純物鉄ペンタカルボニル（Dotiersubstanz Eisenpentacarbonyl）を活性化し、これによって一酸化炭素配位子が分離される。そして、配位不飽和の鉄化合物を、有機半導体中で調製することによって、不可逆的に固定する。また、ゲート電極２を用いてチャネル領域７を活性化放射線から保護した結果、この領域では、不純物の固定は行われない。また、間隔１１ａ，１１ｂを介して、活性化放射線は有機半導体層６に入り込み、そこで不純物を活性化する。この結果、不純物は、有機半導体層において不可逆的に固定される。照射の後、この例では初めに鉄ペンタカルボニルの供給を止め、次に浄化されなかった鉄ペンタカルボニルを窒素の流れの中に１０ｍｂａｒで放出することによって、結合されなかった不純物を除去する。図２および図３に示したトランジスタ構造でも、ソースとゲートとの間、および、ゲートとドレインとの間には、ゲート領域によって制御されない領域が存在する。これらの領域では、ゲート電極に印加された電界は、半導体層６の電荷粒子密度に影響を与えない。しかし、ゲート領域から影響を受けない領域８，９において、半導体の電気伝導率が高いので、重ね合わせる必要はない。この場合、電気伝導率の低さを特徴とするチャネル領域７の領域にのみ、ゲート電極が影響を与える状態で充分である。
基板１と同様に、ゲート誘電体３も、活性化放射線に対して透過性の物質を含んでいるとき、図２に示した構造をより改善できる。どの物質をゲート誘電体３に使用できるかは、活性化放射線の波長次第である。つまり、不純物の種類（Art）、および、不純物と半導体との間のエネルギー相互作用次第である。例えば二酸化シリコンは、可視光および長波長ＵＶの領域において透過性であり、約３５０ｎｍ未満の波長を有するＵＶ放射線用ではない。裏面の構造を照射している間、ゲート電極２によって活性化放射線から保護される有機半導体の領域だけは、影響を受けない。ドープされた接触領域８ａ・９ａは、ゲート電極２の電界（Feld）から影響を受けるチャネル領域７の領域に、連続的に連結している。
図２および図３に示したトランジスタ構造を製造するために、物質蒸着プロセスおよびパターン化プロセスは３回だけ必要である。提示した、簡単化されたトランジスタ構造によって、接触領域の照射が、自己整合的な裏面照射によって可能になり、したがって、チャネル領域７における電気伝導率を高めることなく、接触領域８において、局部に限定されたドーピンググループ（Dotiergruppen）を形成できる。なぜなら、この領域は、裏面が照射されている間、光不透過性のゲート電極２によって保護されているからである。結果として、トランジスタの製造コストをはるかに低減でき、性能を高めることができる。
異なる有機電界効果トランジスタの従来の構造を示す断面図である。 異なる有機電界効果トランジスタの従来の構造を示す断面図である。 異なる有機電界効果トランジスタの従来の構造を示す断面図である。 簡略化された構造のトランジスタを示す断面図である。 接触領域のドープ用の自己整合的な裏面照射を説明するための図である。

Claims (17)

  1. 電気伝導性有機化合物のドーピング方法であって、
    活性化放射線の照射によって活性化可能な不純物を電気伝導性有機化合物に注入し、上記電気伝導性有機化合物に対して活性化放射線を照射することによって、活性化された不純物を電気伝導性有機化合物内に不可逆的に固定し、
    照射後に、結合されていない不純物を、電気伝導性有機化合物から再び除去する方法。
  2. 上記電気伝導性有機化合物と共有結合、および／または配位結合を形成することによって、不純物を不可逆的に固定する、請求項１に記載の方法。
  3. 上記電気伝導性有機化合物は有機半導体である、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
  4. 上記電気伝導性有機化合物への照射が部分的に行われる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 上記部分的な照射は、フォトマスクを用いて実施される、請求項４に記載の方法。
  6. 上記電気伝導性有機化合物には、照射に使用される活性化放射線に対して不透過な光不透過領域があり、照射の間、電気伝導性化合物には照射されない部分が維持されており、これら非照射部分は、照射に用いられる放射線光源から電気伝導性有機化合物の方向を見ると光不透過領域の後ろに配置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 上記光不透過領域は、ゲート電極によって形成されている、請求項６に記載の方法。
  8. 有機電界効果トランジスタの製造方法であって、
    基板上に、ゲート電極、ソース接触部、ドレイン接触部、ゲート誘電体、および、有機半導体を蒸着し、前記有機半導体に対して、活性化放射線の照射によって活性化可能な不純物を注入し、活性化放射線を部分的に照射し、照射後に、結合されていない不純物を電気伝導性有機化合物から再び除去することにより、ソース接触部およびドレイン接触部に接する有機半導体領域に、有機半導体中の不純物を不可逆的に固定し、ソース接触部およびドレイン接触部に接する接触領域の電気伝導率を上昇させる方法。
  9. 上記部分的な照射のためにフォトマスクを塗布する、請求項８に記載の有機電界効果トランジスタの製造方法。
  10. 請求項８に記載の有機電界効果トランジスタの製造方法であって、
    活性化放射線に対して透過性を有する基板上に、ゲート電極、および、ゲート電極から間隔をあけたソース・ドレイン接触部を蒸着させ、
    基板を覆ってしまわないように、ゲート誘電体とソース接触部との間、およびゲート誘電体とドレイン接触部との間に間隔を保つように、ゲート電極上にゲート誘電体を蒸着させ、
    基板、ソース接触部、ドレイン接触部、および、ゲート誘電体の上に、有機半導体を蒸着させ、
    ゲート誘電体とソース接触部との間の間隔、および／または、ゲート誘電体とドレイン接触部との間の間隔に有機半導体を充填し、
    活性化放射線を用いた照射によって活性化可能な不純物を有機半導体に注入し、上記活性化放射線を用いて基板を側面から照射することにより、ソース接触部およびドレイン接触部に隣接している有機半導体中の接触領域の電気伝導率を上昇させ、次に、余分な不純物を、有機半導体から除去する方法。
  11. ゲート電極、ソース接触部、およびドレイン接触部を同時に基板上に蒸着させる、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 上記ゲート誘電体が、活性化放射線を透過する性質を有する物質から形成されている、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. ゲート電極（２）、前記ゲート電極（２）を絶縁しているゲート誘電体（３）、ソース接触部（４）、ドレイン接触部（５）、基板（１）、およびソース接触部（４）とドレイン接触部（５）との間に配置された有機半導体（６，７，８，９）を備えた、有機電界効果トランジスタであって、
    上記有機半導体（６，７，８，９）が、ソース接触部（４）および／またはドレイン接触部（５）に隣接されており、有機半導体中に不可逆的に固定された不純物がドープされ、かつ高い電気伝導率を有する接触領域（８，９）を備えており、
    ゲート誘電体（３）とソース接触部（４）との間に第１の間隔（１１ａ）を有し、ゲート誘電体（３）とドレイン接触部（５）との間に第２の間隔（１１ｂ）を有し、それら間隔における上記接触領域（８，９）で有機半導体（６，７，８，９）が基板（１）上に直接備えられている、有機電界効果トランジスタ。
  14. 前面および裏面を備えており、前記裏面に、有機半導体によって形成される部分（８，９）が少なくとも１つ含まれている、請求項１３に記載の有機電界効果トランジスタ。
  15. 上記裏面には、ソース接触部（４）またはドレイン接触部（５）によって形成される部分が、少なくとも１つ備えられており、上記部分は有機半導体からなる部分（８，９）に隣接している、請求項１３または１４に記載の有機電界効果トランジスタ。
  16. 上記不純物が、共有結合または配位結合によって有機半導体中で不可逆的に固定されている、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の有機電界効果トランジスタ。
  17. 請求項１３〜１６のいずれかに記載の有機電界効果トランジスタであって、
    上記有機電界効果トランジスタを上から見て、ゲート電極（２）、ソース接触部（４）、および、ドレイン接触部（５）が、重なり合わず、
    不可逆的に固定された不純物がドープされており、かつ高い電気伝導率を有する有機半導体の部分（８，９）が、ゲート電極（２）とソース接触部（４）との間、および／または、ゲート電極（２）とドレイン接触部（５）との間に配置されている、有機電界効果トランジスタ。
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