JP4036454B2 - 薄膜トランジスタ。 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本願発明は、金属電極とカーボンナノチューブを用いた電極領域を有する薄膜トランジスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、薄膜トランジスタの半導体成分として有機材料を用いたものが注目を浴びている。有機材料は、溶液からのスピン・コーティングまたは浸漬コーティング、熱蒸着、スクリーン印刷などの方法による処理がより簡単であるので、薄膜トランジスタ構造用の無機材料のより安価な代替物となる。
【0003】
しかし、有機材料を用いた場合、キャリアの移動度が低いため問題も多い。そこで、様々な検討がなされている。以下、図を示して述べる。
【0004】
特許文献1には、図14に示すように、ソース電極101とドレイン電極102の間に半導体チャネル層として有機/無機混成材料103を使用した薄膜トランジスタが開示されている(特許文献1)。さらに、特許文献1には、当該薄膜トランジスタは、無機の結晶性固体と有機材料の利点を兼ね備えると記載されている。
【0005】
特許文献2には、図15に示すように、ソース電極110及びソース電気絶縁層111からなるソース領域と、ドレイン電極112及びドレイン電気絶縁層113からなるドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域とを結ぶ少なくとも有機半導体材料で構成される有機半導体層114からなるチャネル層と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記チャネル層の下面に沿って設けたゲート電気絶縁層115、前記ソース領域、前記ゲート電気絶縁層115及び前記ドレイン領域の同一平面となる下面に設けた半導体材料で構成されるゲート層116並びに前記ゲート層116に設けたゲート電極117からなるゲート領域と、を備えた薄膜トランジスタが開示されている(特許文献2)。さらに、特許文献2には、当該薄膜トランジスタは、図のような構成とすることにより、空乏層および反転層を発生しやすくし、かつ、ソース側のキャリアを高速でドレイン側に吸収させると記載されている。
【0006】
非特許文献1には、図16に示すように、ソース電極121と、ドレイン電極122と、ペンタセン薄膜トランジスタ層123と、絶縁層124と、ゲート層125と、基板126と、を備えた薄膜トランジスタについて開示されている(非特許文献1)。さらに、非特許文献1には、当該薄膜トランジスタは、プラスチックのような基板上に、ペンタセンのような有機材料を成膜することについて記載されている。
【0007】
非特許文献2および特許文献3には、図17に示すように、電流駆動スイッチング部と、当該電流駆動スイッチング部とともに集積された第2の回路部とを備えることを特徴とする薄膜トランジスタについて開示されている(非特許文献2、特許文献3)。これらの文献には、トランジスタのソース電極131とLEDの陰極132とに電圧が印加され、かつトランジスタのゲート電極133にバイアスが印加されたときには、ソース電極131からトランジスタの半導体層134を通過してドレイン電極135へと電流が流れること:ドレイン電極135はLEDの陽極としても機能し、したがって、電流がドレイン電極135からLEDの発光層139を通過してLEDの陰極へと流れ、これにより、矢印hνで示されるように発光層139から発光が生じること:半導体層134とゲート電極133との間には酸化ケイ素の絶縁層136およびn+型シリコン137が配置されており、酸化ケイ素の絶縁層138は、発光層139からソース電極131を分け隔てていることが記載されている。
【0008】
上述のとおり、有機材料をチャネル層に用いた薄膜トランジスタの伝導性はきわめて低く、その検討はなされているものの、依然としてその問題は解決していない。この要因として、非特許文献3には、微小な有機チャネル層と金属電極面では接触抵抗が極端に大きく、この部分で印加電圧のほとんどが吸収されるため、チャネル層には実効的な電圧がほとんど印加されていないことを報告している(非特許文献3)。従って、有機材料をチャネル層に用いた薄膜トランジスタの伝導性に関する根本的な解決が求められる。
【0009】
【特許文献1】
特開2000−260999号公報
【特許文献2】
特開2003−86805号公報
【特許文献3】
特表2002−512451号公報
【非特許文献1】
Solid State Technology, volume 43, number 3,pages 63−77,2000年3月
【非特許文献2】
SCIENCE VOL.280,1998年6月12日
【非特許文献3】
Kannan Seshadri et Al.Appl.Phys.Lett.78,993(2001))
【0010】
【課題を解決するための手段】
従来技術を検討した結果、発明者は、微小な有機材料からなる層と金属電極との界面では接触抵抗が極端に大きい点を改良する必要があると考えた。接触抵抗が改良されれば、有機材料からなる層と金属電極界面との間で、印加電圧が吸収されるのを防ぐことが可能となる。
【0011】
そこで、発明者は、電子線リソグラフィーの手法で作成した金属電極に炭素6員環構造を有する有機材料であるペンタセンの単一グレインを挟み込み、これを用いて作成した電界効果トランジスタの電流電圧特性を測定した。すると、電界効果トランジスタは、作動するものの、大きなヒステリシスが観測された(図13)。そこで、発明者は、金属電極とペンタセンの界面を原子間力顕微鏡で観察し、金属電極とペンタセンの接触がうまくいってないこと、両者の界面で一様な接触が生じていないこと、および、界面での接触面積が極めて小さいことを見出した。
【0012】
さらに検討したところ、発明者は、金属電極とペンタセンの界面での問題点を改良するには、金属電極に用いる材料として、小さく、薄く、かつ、安定な物質を用いること、ペンタセンとの良好な接触があること、特に、ペンタセンと化学的相互作用による界面のコンタクトを持つ材料であることが必要であることを見出した。
【0013】
以上について、発明者が、鋭意検討した結果、本願発明を完成するに至った。
(1)少なくとも、ソース電極領域と、ドレイン電極領域と、前記ソース電極領域と前記ドレイン電極領域の間に設けられたアセン類、チオフェン類およびその誘導体から選択される材料からなるチャネル層とで構成され、前記ソース電極領域および前記ドレイン電極領域は、それぞれ、前記チャネル層の一部と接触するカーボンナノチューブと、当該カーボンナノチューブの一部と接触する金属電極とからなり、前記金属電極と、前記チャネル層は接触していないことを特徴とする薄膜トランジスタ。
(2)基板と、当該基板の上に配設される絶縁層と、当該絶縁層の上に配設されるソース電極領域と、ドレイン電極領域と、前記ソース電極領域と前記ドレイン電極領域の間に設けられたアセン類、チオフェン類およびその誘導体から選択される材料からなるチャネル層とで構成され、前記ソース電極領域および前記ドレイン電極領域は、それぞれ、前記チャネル層の一部と接触するカーボンナノチューブと、当該カーボンナノチューブの一部と接触する金属電極とからなり、前記金属電極と、前記チャネル層は接触していないことを特徴とする薄膜トランジスタ。
(3)前記金属電極は、金および/またはプラチナからなる、(1)または(2)に記載の薄膜トランジスタ。
(4)(1)〜(3)のいずれか1項において、カーボンナノチューブが、フラーレンを含むカーボンナノチューブであることを特徴とする薄膜トランジスタ。
(5)(1)〜(4)のいずれか1項において、チャネル層が、ペンタセンからなることを特徴とする薄膜トランジスタ。
【0014】
【発明の実施の形態】
本願発明における薄膜トランジスタには、電界効果トランジスタを含む。さらに、本願発明における電界効果トランジスタは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのことのみでなく、より一般的な金属電極−絶縁体−半導体の組合せをも含む趣旨である。
【0015】
本願発明のカーボンナノチューブは、チャネル層と金属電極との接触を良好にし、電気伝導性を向上させるものである。具体的には、本願発明のカーボンナノチューブとは、その組成物の大半が炭素からなり、その大部分が6員環を有し、かつ、チューブ状をしたものをいう。より具体的には、本願発明のカーボンナノチューブとは、その炭素6員構造が、チャネル層の材料の炭素6員環構造の部分と界面をもって接触するもの、特に、化学的相互作用により、接触するものをいう。すなわち、カーボンナノチューブの炭素6員環が、チャネル層の材料の炭素6員環とその界面で、Π電子同士の相互作用によって接触するものをいう。
【0016】
本願発明で採用するカーボンナノチューブは、その伝導性が、チャネル層の材料より良好なものである。すなわち、カーボンナノチューブの抵抗がチャネル層の抵抗よりも小さいものをいう。本願発明のカーボンナノチューブは、好ましくは、抵抗が、10-5〜10-4Ωcmのものである。また、カーボンナノチューブは、非常に薄く小さい構造をしているため金属電極とのなじみもよい。そのため、接触面積が小さいにも関わらず、金属電極からカーボンナノチューブを経てチャネル層までの電気の流れが、顕著に改善される。
【0017】
本願発明のカーボンナノチューブとは、炭素6員環を含むことを最大の特徴とし、例えば、カーボンナノチューブ、フラーレンを含むカーボンナノチューブ、チューブ状のフラーレンが、あげられる。
【0018】
本願発明のカーボンナノチューブとしては、直径が1〜50nmの中空状の直線状の炭素のみからなる物質があげられる。なお、本願発明でいうチューブとは、必ずしも筒状になったものではなく、薄膜状のものを巻いたもの等も含む趣旨である。例えば、グラファイト膜を巻いたようなものも含まれる。
【0019】
本願発明のカーボンナノチューブは、多層ナノチューブであってもよいし、単層ナノチューブであってもよい。また、多層ナノチューブの場合、好ましくは、直径が5〜50nm程度、長さは1〜100μm程度、より好ましくは、直径が10〜20nm程度、長さは2〜15μm程度のものを用いる。単層ナノチューブの場合、好ましくは、直径が0.6〜5nm程度、長さは1〜100μm程度、より好ましくは、直径が0.6〜5mm程度、長さは2〜15μm程度のものを用いる。さらに、カーボンナノチューブは、アームチェア構造であっても良いし、らせん構造であってもよい。もちろん、本願発明のカーボンナノチューブの断面は、正確な円形である必要は無く、楕円形等でもよい。
【0020】
フラーレンを含むカーボンナノチューブとは、カーボンナノチューブであって、その外側若しくは内側にフラーレンを有しているものをいう。フラーレンとは、20個以上の炭素原子を持ち、炭素原子のすべてが三配位であるか、かご型分子をしているものをいう。例えば、C60、C70、C76、C78、C82、C84、C92などがあげられる。また化学修飾されたフラーレンでもよい。また、フラーレンがさらに別の原子を内包していてもよい。たとえば、La、Er、Gd、Ho、Nd、Y、Sc、Sc2、Sc3Nを内包したフラーレンを用いてもよい。
【0021】
カーボンナノチューブを用いる場合には、市販品を購入(例えば、真空治金(株)製)してもよいし、加工しても良い。加工する場合、熱フィラメントプラズマCVD法、マイクロ波プラズマCVD法、熱CVD法や、特開2002−285335号に記載された方法等を用いることができる。
【0022】
カーボンナノチューブを操作する方法として光ピンセットを用いる方法がある。これは、光を収束させるとミクロンサイズの粒子が凝集する。この方法を用いてカーボンナノチューブをチャネル層に集積させる方法を用いてもよい。また、カーボンナノチューブが電場の方向に向きやすい性質を用いて、カーボンナノチューブを整列させてもよい。
【0023】
本願発明のチャネル層には、アセン類、チオフェン類およびその誘導体から選択される材料を利用する。アセン類としては、本願発明の精神を逸脱しない限り特に定めるものではないが、例えば、ペンタセン、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ヘキサセン等を採用することができる。チオフェン類としては、本願発明の精神を逸脱しない限り特に定めるものではないが、例えば、縮合6員環芳香族環を二つもしくは三つ有した縮合環有機化合物であって、この化合物の両端部は、5員環の芳香族複素環となっているものをあげることができる。
【0024】
本願発明の金属電極の材料は、特に定めるものではなく、本願発明の精神を逸脱しない限り広く採用できる。例えば、金(Au)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、タリウム(Ta)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銀(Ag)、錫(Sn)等を用いることができる。さらに、これらを組み合わせたものも採用することが出来る。例えば、金(Au)/チタン(Ti)の組み合わせを採用することができる。尚、ソース電極領域と、ドレイン電極領域とで、金属電極に採用する金属を異なるものとしても良い。また、本願発明でいう電極領域とは、カーボンナノチューブと金属電極から構成されるものをいう。
【0025】
本願発明の絶縁層は、本願発明の精神を逸脱しない限り、広く採用できる。例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、フッ化カルシウムなどの無機材料、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド、テフロン(登録商標)などの高分子材料、アミノプロピルエトキシシランなどの自己組織化分子膜などを用いればよい。
【0026】
本願発明の基板は、絶縁性基板あるいは半導体性基板であれば特に定めるものではない。例えば、絶縁体基板として、たとえば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、フッ化カルシウム、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂、ポリイミド、テフロン等を用いればよい。半導体基板としては、たとえばシリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、インジウム燐、炭化シリコン等を用いればよい。基板表面は平坦である事が望ましい。
【0027】
本願発明の薄膜トランジスタにはゲート電極を設けてもよく、該ゲート電極としては、特に限定されるものではなく、従来この種のトランジスタに採用されているものを広く用いることができる。例えば、Al、Cu、Ti、ポリシリコン、シリサイド、有機導電体を採用することができる。ゲート絶縁膜としては、SiO2 、SiN等の無機絶縁膜、ポリイミド、ポリアクリロニトリル等の有機材料等を採用することができる。
【0028】
以下、本願発明の実施形態を図面に従って説明する。図1は、本願発明の好ましい実施形態の一例であるトランジスタを示したものであって、(2)は、(1)の断面を示している。ここで1はチャネル層を、2は金属電極を、3はカーボンナノチューブを、4は絶縁層を、5は基板をそれぞれ示している。本願発明の特徴は、金属電極2とカーボンナノチューブ3によって、ドレイン電極領域およびソース電極領域をそれぞれ形成していることである。すなわち、本願発明の特徴は、金属電極とチャネル層の間にカーボンナノチューブを設け、金属電極とカーボンナノチューブによって電極領域としたことである。このため、チャネル層の材料として、有機材料を採用しても、当該チャネル層の材料と電極との接続が良好となった。これによって、伝導性を劇的に改善することが可能になった。つまり、トランジスタの動作速度が改善され、素子間の特性ばらつきが低減した。
【0029】
図1において、チャネル層を介した2本のカーボンナノチューブの間隔L1は、好ましくは、100nm以下0より長い間隔であり、より好ましくは、50nm以下0より長い間隔である。
【0030】
図1において、一の金属電極2とチャネル層1の間隔L2は、好ましくは、1〜10μm、より好ましくは、2〜5μmである。このような長さとすることにより、一定のマージンを確保することができ、後述するコンタクトの窓の形成が、より確実に行える。
【0031】
図1において、それぞれのカーボンナノチューブの長さは、好ましくは、5〜20μmであり、より好ましくは、5〜10μmである。尚、ここでは、特に定めていないが、金属電極とカーボンナノチューブから構成される電極領域の一方がソース電極領域であり、他方が、ドレイン電極領域である。
【0032】
図1において、金属電極間の間隔L3は、好ましくは1〜100μmであり、より好ましくは、5〜10μmである。また、トランジスタ全体の幅L4は、例えば、0.1〜3mmとすることができる。もちろん、用途や目的に応じて適宜設定することも可能である。
【0033】
図1において、チャネル層とカーボンナノチューブの接触長さは、好ましくは、1〜10μm、より好ましくは、1〜5μmである。
【0034】
図2は、本願発明の別なる実施形態を示したものである。図中の符号は、図1と同様のものを採用している。当該実施形態の特徴は、カーボンナノチューブ3が、チャネル層の部分で、並列している点である。このように、必ずしも、ソース電極領域が有するカーボンナノチューブとドレイン電極領域が有するカーボンナノチューブとが直線状に並んでいる必要は無い。さらに、カーボンナノチューブは必ずしも直線状である必要はなく、折れ曲がりや湾曲があってもよい。
【0035】
図3は、カーボンナノチューブを複数設けた実施形態を示したものである。図中の符号は、図1と同様のものを採用している。このように複数のカーボンナノチューブを設けることにより、電子の出入りが良好となっている。尚、本実施形態では、各電極に3本づつとしているが、これに限るものではなく、さらに、本数を増やすことも可能である。
【0036】
チャネル層の形状は、図1〜3の(1)の方向から見た場合、四角形をしているが、これに限るものではなく、必要に応じて様々な形に設定することができる。また、カーボンナノチューブは、円筒状のものが好ましいが、これに限るものではなく、断面が楕円形状のもの等も採用することができる。さらに、必ずしも筒状である必要は無く、薄膜を巻いたもの等も含む趣旨であるのは、上述のとおりである。さらに、図1〜3では、カーボンナノチューブを、金属電極に対して垂直に設けているが、様々な角度に設定できることは言うまでもない。
【0037】
本願発明のトランジスタは、電子機器、医療機器等に広く採用することができる。具体的には、フレキシブルディスプレイ、微小有機電子素子、ナノバイオデバイス、分子センサーの端子接続等があげられる。もちろん、これらの用途に限られる訳ではなく、本願発明の精神を逸脱しない限り、広く採用することができる。
【0038】
【実施例1】
(1)バックゲート電極の作製
厚さ200nmの SiO2熱酸化膜を表面および裏面に持つ、厚さ350μmのハイドープp型Si基板(販売元:(株)E&M)をダイヤモンドカッターで25mm角に切り出した。当該基板は、ホウ素ドーピングされており、低効率が0.00099Ωcm以下であり、キャリア濃度が1020cm-3以上である。切り出した基板表面に、フォトレジストAZ−1350J(販売元:(株)クラリアントジャパン、以下、同じ)を滴下した。そして、スピンコーター((株)MIKASA製)を用い、500rpm、5秒の初期回転、および、3000rpm、60秒の定常回転の条件で回転して、基板表面上で均一にした。この基板をフッ化水素溶液(HF溶液)中に、3分間浸透させ、裏面のSiO2酸化膜を除去し、裏面にSi表面を呈出させた。Si表面が呈出されたことの確認は、テスターを用いて裏面の電気抵抗を測定することにより行った。前記確認後、直ちに、基板裏面に真空蒸着法によって、10nm厚さのAl層、10nm厚さのTi層、100nm厚さのAu層を順に堆積した。堆積終了後、基板をアセトン中に浸透させ、表面のレジストを除去した。次に、イソプロピルアルコールでリンスを行った。この工程後、基板全体を250℃のオーブンで15分加熱し、裏面のSiとAl界面のアニールを行った。この方法で作製した背面のAu/Ti/Al電極をバックゲート用電極として用いた。
【0039】
(2)引き出し電極の作製
上記(1)でバックゲート電極を作製した25mm角の基板表面にフォトレジストAZ−1350Jを滴下した。そして、スピンコーター((株)MIKASA製)を用い、500rpm、5秒の初期回転、および、5000rpm、60秒の定常回転の条件で回転して、基板表面上で均一にした(図4(1)側面図)。レジスト塗布後、フォトリソグラフィー用マスクおよびマスクアライナー((株)MIKASA製、MA−20)を用いた紫外線リソグラフィー法によって露光した。すなわち、上記基板上に、フォトマスク( 図4(2)上面図)を密着させ紫外線にて露光した(図4(3)側面図)。その後、基板を現像液に浸透させ、パターンを現像、フォトレジスト上にパターンを転写した(図4(4))。この工程が終了後、直ちに基板表面に5nmのTi層、次いで80nmのAu層を蒸着した((株)入江工研製蒸着器製)(図4(5))。蒸着終了後、基板をアセトン中に浸透させて表面のレジストを除去し(図4(6))、次いでイソプロピルアルコールでリンスを行った。この工程で作製した基板表面の金属パターンを、以下、「引き出し電極」と呼ぶ。ここで、フォトリソグラフィー用マスクには、同一の5mm角のパターンが縦4×横4の計16個刻まれている。従って、上記の工程後の25mm角の基板上に、5mm角の同一パターンが16個一度に作製されているため、この25mm角の基板を、16枚の5mm角基板に分割した。バックゲート電極および引き出し電極が作製されたこの5mm角の基板を以下、「チップ」と呼ぶ。尚、図4中、5は基板を、14はレジストを、15はフォトマスクを、2は金属パターンをそれぞれ示している。また、図4(2)のフォトマスクは、概略図である。
【0040】
(3)アドレスパターンの作製
上記(2)で作製した5mm角のチップ表面に、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)電子線レジストを滴下した。そして、上記(1)で使用したスピンコーターを用い、初期回転500rpm、5秒、定常回転5000rpm、40秒、の条件で回転して、基板表面上で均一にした。電子線レジストを塗布後、チップを電子線リソグラフィー装置((株)エリオニクス製、ELS−7300)に投入し、レジスト上に、アドレスパターンを描画した。ここで、アドレスパターンとは、数字と格子点からなる格子点パターンをいう。ここで、数字および格子点はその大きさがおよそ200〜300nm程度であった。アドレスパターンは引き出し電極の存在しない部分に対して描画された。描画終了後、チップを現像液に浸透させ、描画したパターンを現像した。現像後、チップ表面上に6nmのPt、8nmのAuを真空蒸着法によって蒸着した。蒸着後、チップをアセトン中に浸しレジストを除去し、次いでイソプロピルアルコール中に浸してリンスを行った。
【0041】
(4)ナノチューブの散布
多層カーボンナノチューブ((株)真空冶金製)をジクロロエタン溶液に分散させた溶液を作成した。そして、上記(3)でアドレスパターンを作製したチップ上にこの溶液をスポイトで滴下した。滴下された溶液は、完全に乾燥する前に再びスポイトで吸い出した。溶液は、この吸出し作業によってチップ上から除去される。その後、チップをイソプロピルアルコールでリンスし、100℃のオーブンで5分加熱した。この工程によってチップ上にカーボンナノチューブが散布された。
【0042】
(5)ナノチューブに対するコンタクトの作製
上記(4)のカーボンナノチューブが散布されたチップを電子顕微鏡(日立製、S−5000)で観察した(図示せず)。チップ上には、引き出し電極の無い部分にアドレスパターンが作製されていた。従って、電子顕微鏡観察を行った場合、チップ上にアドレスパターンと散布したナノチューブの両者が確認できた。ここで、観察で得られたアドレスパターンとカーボンナノチューブの相対的位置関係を記録した。これはカーボンナノチューブがチップ上でどこに位置しているのかを記録していることに相当する。カーボンナノチューブは、長さが5μm以上のもの、より好ましくは、5〜90μmのものを選ぶとよい。次いで、この記録をもとにし、カーボンナノチューブと上記(2)の引き出し電極を接続する金属配線パターン、すなわち、本願発明における金属電極を設計した。ここで設計したパターンを用い、上記(3)と同様の手法で、引き出し電極を金属を用いて作製した。ここで、金属としては、PtおよびAuを用い、上記(3)と同様に真空蒸着法によって作製した。Ptの厚みは、5nm〜10nm、Auの厚みは、30〜50nmであった。Pt、Auを用いることによって、多層カーボンナノチューブに対してオーミックコンタクトを接続することが可能となる。
【0043】
上記で作製したカーボンナノチューブを引き出し電極に接続するように設けたチップをプロ−バー((株)日本マイクロニクス製、708fT−006)にセットし、カーボンナノチューブの電気伝導特性を測定した。プロ−バーは4本の短針を備えており、そのうちの1本をバックゲート電極と等電位の部分に落とし、2本をチップ上の引き出し電極に落した。ここで、短針はパラメータアナライザー(HP 4156A)に接続されている。電気伝導特性を測定し、このデータを記録した。図5に、得られた素子の概略図を示す。
【0044】
図6は、電流電圧特定を示したものである。電流電圧特性は、プロ−バー((株)日本マイクロニクス製)を採用した(以下、同じ)。図6中、Isdはソース−ドレイン間の電流を、Vsdはソース−ドレイン間の電圧をそれぞれ示す(以下、同じ)。当該素子は、低電圧、(2V以下)で最大数10μAの電流が得られ、ヒステリシスも観測されなかった。また、図7に、ゲート電極に対する電流電圧特性についての測定結果を示す。ここで、図7中、Vgはゲート電極の電圧を示す(以下、同じ)。図7に示すように、電流がゲート電圧に依存しないという結果が得られた。これはカーボンナノチューブが金属的に振舞っていることを意味している。
【0045】
(6)ナノチューブの電気的破壊
上記(5)の電気伝導特性測定の後、カーボンナノチューブに数ボルトの電圧を印加、高密度電流(0.1〜0.2mA)を流しこの電流を一定時間(300秒以下)流し続けた。この時、カーボンナノチューブに流れる電流値が階段状に減少し、最終的に電流値が消失した。電流値が消失する原因はカーボンナノチューブの中央付近が高密度電流の保持によって切れるためである。この作業によって引き出し電極に接続されたカーボンナノチューブの中央部付近を切った。中央部が切断されたカーボンナノチューブを、上記(5)と同様に電子顕微鏡で観察すると、切断部分の長さLは50nm以下であることが確認できた。これらの概略図を図8および図9に示す。
【0046】
図8は、カーボンナノチューブの電気的破壊の状態を示したものである。図9は、図8(a)に電圧を徐々に印加した状態を示したものである。図9中、一定の高電圧で保持すると、ナノチューブに流れる電流量が段階状に減少した。これに伴い、多層カーボンナノチューブは、一層ずつ破壊・除去されていき(図8(b))、すべての層が破壊されると( 図8(c))電流が流れなくなった。図9中の下向きの矢印は、多層カーボンナノチューブが一層ずつ破壊されていく、ブレーキングポイント(breaking point)を示している。このとき、ナノチューブの切断部分には、最終的に小さなギャップが得られた。ここで、ギャップとは、多層カーボンナノチューブが切れたことによって生じた微小な空間である。図10に、ギャップの長さを測定した結果を示す。尚、ここでは、49サンプルについて行った。
【0047】
(7)有機チャネル層の形成
上記(6)の工程を経たチップ上に、上記(3)と同様の方法で電子線レジストを塗布した。塗布後、上記(6)のカーボンナノチューブ切断部分を中心とし、一辺が1〜2μm程度の長方形の電子線描画パターンをデザインした。また、引出し電極上にも一辺100μm程度の長方形の描画パターンをデザインし、両者のパターンを上記(3)と同様の方法で電子線描画し、パターンを現像した。
現像後には、カーボンナノチューブ切断部周辺に、一辺1〜2μm程度の長方形の窓が作製された。同様に、引出し電極上にも一辺100μm程度の長方形の窓が作製された。上述したように、カーボンナノチューブの長さは切断部の窓の大きさよりも長いため、窓はカーボンナノチューブ切断部分付近のみに空いていると考えられた。尚、カーボンナノチューブと引き出し電極を接続している金属電極上には窓はあけていない。次に、上記で得られた窓のうち、引出し電極上の窓をアルミホイルで慎重にマスキングした。マスキングされたチップは、有機物積層用の真空蒸着器((株)ULVAC製)に入れ、真空チャンバー内で真空蒸着法によって有機物質を蒸着した。ここでは、蒸着する有機物質として炭素六員環が5個直列につながった構造を持つペンタセン(販売元:Aldrich Products)を用いた。ペンタセンを、窓の空いた部分を経由して切断されたカーボンナノチューブ上に蒸着し、切断面を再びつないだ。有機物蒸着後、マスキングで用いたアルミホイルを取り除き、素子とした。図11に、本実施例の概略図を示す。ここで、11はSiO2熱酸化膜を、12はp型Si基板を、13は引出し電極を、16ペンタセンを、3はナノチューブをそれぞれ示す。
【0048】
(8)作製した素子の電気特性の測定
作製した素子の電気特性を測定するために、上記(6)と同様のプロ−バーを用いた。この時、プロ−バーの1本の針はバックゲートと等電位の部分に落とされ、残りの2本は上記(7)の引き出し電極上に形成した窓を通して引き出し電極上に落とされた。尚、窓のない部分は絶縁性の高い電子線レジストで覆われているため、針を落としても針と引き出し電極の導通が取れない。この配置で素子の電気特性を測定したところ、電気伝導が認められた。上記(6)のようにカーボンナノチューブ切断後には電気伝導が認められなかったため、この電流値はカーボンナノチューブが電極として振る舞い、有機チャネル層を流れている電流であると認められた。その結果を図に12示す。
【0049】
図12の実験は、ゲート電圧が、−10V、−5V、0V、5V、10Vについて行った。ここで、ペンタセン蒸着前は、電流は全く流れなかった(CNT electrode only)。これに対し、ペンタセン蒸着後は、導通が認められた。さらに、ソース−ドレイン間の電圧が低いにもかかわらず、nAオーダーの電流値が流れた。加えて、ヒステリシスもほとんど観測されなかった。尚、図12中、Vsdが0以下の場合、下から順に、−10V、−10V、−5V、−5V、0V、0V、5V、5V、10V、10VについてのIsdである。Vsdが、0以上の場合上から順に、−10V、−10V、−5V、−5V、0V、0V、5V、5V、10V、10VについてのIsdである。尚、図13は、金属のみからなる電極領域のばあいの電流電圧特性を示す。図13中、Vdsが−20Vのところで、上から順に、−20V、−20V、−15V、−15V、−10V、10V、−5V、−5V、0V、0VのIsdを示している。
【0050】
【発明の効果】
このように、本願発明は、カーボンナノチューブとチャネル層と両方に炭素6員環を持つものを採用したことにより、共役として知られている隣接する多重結合した原子間の原子軌道の重なり合いによって、電荷の移動が可能になった。すなわち、金属電極と有機材料の間にカーボンナノチューブを採用することにより、電気伝導性が顕著に改善した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の薄膜トランジスタの第一の実施形態を示す。
【図2】本願発明の薄膜トランジスタの第二の実施形態を示す。
【図3】本願発明の薄膜トランジスタの第三の実施形態を示す。
【図4】引き出し電極の作製パターンの概略図を示す。
【図5】ナノチューブを散布し、引き出し電極とナノチューブを接続した状態の素子の概略図を示す。
【図6】図5に示す素子の複数の一定電圧下での電流とゲート電圧の関係を示す。
【図7】図5に示す素子のゲート電極に対する電流電圧特性を示す。
【図8】ナノチューブの電気的破壊の概略図を示す。
【図9】図8の素子に電圧を徐々に印加した状態を示す。
【図10】ナノチューブの切断部分のギャップの長さの分布を示す。
【図11】本実施例の概略図を示す。
【図12】図11の素子の電流電圧特性を示す。
【図13】従来の金属電極のみからなる、素子の電流電圧特性を示す。
【図14】特許文献1に開示された薄膜トランジスタの概略図を示す。
【図15】特許文献2に開示された薄膜トランジスタの概略図を示す。
【図16】非特許文献1に開示された薄膜トランジスタの概略図を示す。
【図17】非特許文献2および特許文献3に開示された薄膜トランジスタの概略図を示す。
【符号の説明】
1 チャネル層
2 金属電極
3 カーボンナノチューブ
4 絶縁層
5 基板
11 SiO2熱酸化膜
12 p型Si基板
13 引出し電極
14 レジスト
15 フォトマスク
16 ペンタセン
101 ソース電極
102 ドレイン電極
103 チャネル層
110 ソース電極
111 ソース電気絶縁層
112 ドレイン電極
113 ドレイン電気絶縁層
114 有機半導体層
115 ゲート電気絶縁層
116 ゲート層
117 ゲート電位
121 ソース電極
122 ドレイン電極
123 ペンタセン薄膜トランジスタ層
124 絶縁層
124 ゲート層
126 基板
131 ソース電極
132 LEDの陰極
133 トランジスタのゲート電極
134 トランジスタの半導体層
135 ドレイン電極
136 酸化ケイ素の絶縁層
137 n+型シリコン絶縁層
138 酸化ケイ素の絶縁層
139 発光層
Claims (5)
- 少なくとも、ソース電極領域と、ドレイン電極領域と、前記ソース電極領域と前記ドレイン電極領域の間に設けられたアセン類、チオフェン類およびその誘導体から選択される材料からなるチャネル層とで構成され、前記ソース電極領域および前記ドレイン電極領域は、それぞれ、前記チャネル層の一部と接触するカーボンナノチューブと、当該カーボンナノチューブの一部と接触する金属電極とからなり、前記金属電極と、前記チャネル層は接触していないことを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 基板と、当該基板の上に配設される絶縁層と、当該絶縁層の上に配設されるソース電極領域と、ドレイン電極領域と、前記ソース電極領域と前記ドレイン電極領域の間に設けられたアセン類、チオフェン類およびその誘導体から選択される材料からなるチャネル層とで構成され、前記ソース電極領域および前記ドレイン電極領域は、それぞれ、前記チャネル層の一部と接触するカーボンナノチューブと、当該カーボンナノチューブの一部と接触する金属電極とからなり、前記金属電極と、前記チャネル層は接触していないことを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 前記金属電極は、金および/またはプラチナからなる、請求項1または2に記載の薄膜トランジスタ。
- 請求項1〜3のいずれか1項において、カーボンナノチューブが、フラーレンを含むカーボンナノチューブであることを特徴とする薄膜トランジスタ。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、チャネル層が、ペンタセンからなることを特徴とする薄膜トランジスタ。
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