JP4304033B2 - 有機ゲート絶縁膜およびこれを用いた有機薄膜トランジスタ - Google Patents
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Description
本発明は、有機ゲート絶縁膜およびこれを用いた有機薄膜トランジスタに関し、さらに詳しくは、トランジスタの電気的性能を向上させることが可能な有機ゲート絶縁膜およびこれを用いた有機薄膜トランジスタに関する。
半導体特性を示す共役性有機高分子であるポリアセチレンが開発された後、高分子の合成方法の多様さ、繊維またはフィルム状への成形の容易さ、柔軟性、伝導性、低い生産費などといった有機高分子の特性のため、機能性電子素子および光素子など広範囲な分野で新しい素子として有機半導体に対する活発な研究が行われている。
このような伝導性高分子を用いた素子の中でも、有機物を活性膜として用いる有機薄膜トランジスタ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＯＴＦＴ）に関する研究は、１９８０年以来から始まり、近年には全世界にわたって多くの研究が行われつつある。前記ＯＴＦＴは、Ｓｉ−ＴＦＴとほぼ同一の構造を有するが、半導体領域にＳｉの代わりに有機化合物を使用するという点において異なる。このような有機薄膜トランジスタは、既存のＳｉ薄膜を形成するためのプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）に代えて常圧のプリンティング工程で薄膜の形成が可能であり、ひいてはプラスチック基板を用いた連続工程（Ｒｏｌｌ ｔｏ Ｒｏｌｌ）が可能であるうえ、低価のトランジスタを実現することができるという利点がある。
現在、有機薄膜トランジスタは能動型ディスプレイの駆動素子、スマートカード（ｓｍａｒｔ ｃａｒｄ）および棚卸票（ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ ｔａｇ）用プラスチックチップへの活用が予想されている。通常、電荷移動度、点滅比、しきい値電圧などで評価される有機薄膜トランジスタの性能は、現在α−Ｓｉ ＴＦＴの性能に近付いており、有機活性膜の結晶度、基板と有機活性膜との界面の電荷特性、ソース／ドレイン電極と有機活性膜との界面のキャリア注入能力などの因子によって左右される。前記因子を改善する目的で、様々な方法が試みられている。特にしきい値電圧を減らすために、誘電率の大きい誘電体、例えばＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３（ＢＳＴ）、Ｔａ２Ｏ５、Ｙ２Ｏ３またはＴｉＯ２などの強誘電性の絶縁物質とＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＴｉＯ３（ＰＺＴ）、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＢａＭｇＦ４、ＳｒＢｉ２（Ｔａ１−ｘＮｂｘ）２Ｏ９、Ｂａ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３（ＢＺＴ）、ＢａＴｉＯ３またはＳｒＴｉＯ３などの無機絶縁物質が用いられている（特許文献１参照）。有機薄膜トランジスタの場合、ゲート絶縁膜として酸化ケイ素膜を始めとした前記無機絶縁物質を使用しているが、このような無機酸化材料を使用する場合には、既存のケイ素と比較して工程上の利点がない。
一方、有機絶縁膜としてはポリイミド、ベンゾシクロブテン（ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）、フォトアクリル（ｐｈｏｔｏａｃｒｙｌ）などが使用されているが、無機絶縁膜を代替する程度までの素子特性を現していないのが実情である（特許文献２参照）。従って、有機薄膜トランジスタを実現するためには、有機活性化物質だけでなく、素子特性に優れ、且つプリンティング工程に有利な有機絶縁物質の開発が求められている。
米国特許第５，９４６，５５１号明細書
米国特許第６，２３２，１５７号明細書
本発明は、かかる従来の技術の問題点を解決するためのもので、その目的は、有機薄膜トランジスタの製造において有機活性膜の形成に有利な条件を提供し、素子特性を向上させることが可能な有機ゲート絶縁膜を提供することにある。
本発明の他の目的は、前記有機ゲート絶縁膜を用いて形成された有機薄膜トランジスタを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、下記化学式（１）で表される有機絶縁高分子からなる有機ゲート絶縁膜に関するものである：
［式中、Ｒは下記化学式（２）で表され：
（式中、Ｒ１は下記グループＩより選択され、グループＩにおいて、ｎは０〜１０の整数であり；
Ｒ２は、下記グループＩＩおよびＩＩＩより選択され、少なくとも一つのＲ２はグループＩＩより選択される光配向基であり；
Ｒ３は水素原子であるか、またはグループＩＶより選択され、グループＩＶにおいてＸは水素原子、炭素数１〜１３のアルキル基もしくはアルコキシ基、炭素数６〜２０の芳香族基、ヘテロ原子が芳香族環に含まれた炭素数４〜１４のヘテロ芳香族基、（ＯＣＨ２）ｐＣＨ３（ｐは０〜１２の整数である）、フッ素原子または塩素原子であり、ｍは０〜１８の整数である）：
ｋは０〜３の整数であり、ｌは１〜５の整数であり、前記Ｒ１およびＲ２がそれぞれ複数存在する場合には、各Ｒ１およびＲ２は互いに異なってもよい）；
ｍとｎとの和は１であり、ｍは０．３〜０．７の実数、ｎは０．３〜０．７の実数であり、ｘとｙとの和は１であり、ｘは０．３〜０．７の実数、ｙは０．３〜０．７の実数であり、ｉとｊとの和は１であり、ｉは０〜１の実数、ｊは０〜１の実数である］。
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本発明の他の態様は、基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、有機活性膜、ソース／ドレイン電極および保護膜、またはゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース／ドレイン電極、有機活性膜および保護膜が順次積層されて形成された有機薄膜トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁膜が前記有機絶縁高分子からなることを特徴とする有機薄膜トランジスタに関するものである。
本発明の有機ゲート絶縁膜を用いて製作した有機薄膜トランジスタは、有機絶縁膜上に形成される有機活性膜のグレインサイズが既存の無機絶縁膜上に形成された有機活性膜と比較して大幅に向上し、電荷移動も大きく向上する。
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明の有機ゲート絶縁膜は下記化学式（１）で表される有機絶縁高分子からなる：
［式中、Ｒは下記化学式（２）で表され：
（式中、Ｒ１は下記グループＩより選択され、グループＩにおいて、ｎは０〜１０の整数であり；
Ｒ２は下記グループＩＩおよびＩＩＩより選択され、少なくとも一つのＲ２はグループＩＩより選択される光配向基であり；
Ｒ３は水素原子であるか、またはグループＩＶより選択され、グループＩＶにおいてＸは水素原子、炭素数１〜１３のアルキル基もしくはアルコキシ基、炭素数６〜２０の芳香族基、ヘテロ原子が芳香族環に含まれた炭素数４〜１４のヘテロ芳香族基、（ＯＣＨ２）ｐＣＨ３（ｐは０〜１２の整数である）、フッ素原子または塩素原子であり、ｍは０〜１８の整数である）：
ｋは０〜３の整数であり、ｌは１〜５の整数であり、前記Ｒ１およびＲ２がそれぞれ複数存在する場合には、各Ｒ１およびＲ２は互いに異なってもよい）；
ｍとｎとの和は１であり、ｍは０．３〜０．７の実数、ｎは０．３〜０．７の実数であり、ｘとｙとの和は１であり、ｘは０．３〜０．７の実数、ｙは０．３〜０．７の実数であり、ｉとｊとの和は１であり、ｉは０〜１の実数、ｊは０〜１の実数である］。
ｍとｎとの和は１であり、ｍは０．３〜０．７の実数、ｎは０．３〜０．７の実数であり、ｘとｙとの和は１であり、ｘは０．３〜０．７の実数、ｙは０．３〜０．７の実数であり、ｉとｊとの和は１であり、ｉは０〜１の実数、ｊは０〜１の実数である］。
また、ｎとｍ、ＸとＹおよびｉとｊの比は、それぞれモル比を表す。ここで，ｎ＋ｍ＝１、Ｘ＋Ｙ＝１およびｉ＋ｊ＝１であることより、ｎ、ｍ、Ｘ、Ｙ、ｉおよびｊは、各構成単位のモル分率を表すことになる。さらに、ｎ：ｍのモル比で存在する各構成単位、Ｘ：Ｙのモル比で存在する各構成単位、およびｉ：ｊのモル比で存在する各構成単位が重合体を形成する態様は特に制限されず、例えば、それぞれ交互共重合体、ランダム共重合体等の態様が例示され、当業者により適宜選択されうる。
本発明に係るゲート絶縁膜は、絶縁膜として用いられる有機絶縁高分子に光配向基を導入して有機活性膜の配向を増加させることにより電荷移動度を大きく向上させたことを特徴とする。本発明によれば、有機活性膜の形成に有利な条件を提供することにより、無機絶縁膜に代えて、トランジスタ等の素子を製作する際に有機活性膜のグレインサイズを増加させることができる。
このような有機絶縁高分子の効果は、有機活性膜と絶縁膜との界面特性を向上させることにより得られるものと考えられる。本発明においては、下記数式（１）によって測定しうる、形成された有機絶縁高分子膜と有機活性膜との表面エネルギーにより、前記界面特性が把握されうる：
本発明に係る有機絶縁高分子の前記表面エネルギーは３５〜５０ｍＮ／ｍの範囲内である。前記から、表面エネルギーが有機活性膜の形成時の結晶化の程度に影響を与えてグレインサイズを左右するものと判断される。
前記化学式（１）においてｍ、ｎ、ｘおよびｙの数値を上記のように限定することは薄膜の状態および効果がこれらの数値範囲内において優れるためである。前記数値範囲の外においても薄膜は形成されうるが、薄膜の状態およびその特性は良くない場合がある。
本発明の有機ゲート絶縁膜において、好ましくは、有機絶縁高分子は下記化学式（３）で表される：
［式中、ｍとｎとの和は１であり、ｍは０．３〜０．７の実数、ｎは０．３〜０．７の実数である］。
なお、本発明の有機絶縁高分子の重量平均分子量は、好ましくは、５，０００〜１，０００，０００、より好ましくは、１０，０００〜１００，０００である。
本発明の有機薄膜トランジスタは前記有機絶縁高分子を絶縁膜として含めたもので、前記トランジスタは、通常知られている構造、すなわち基板／ゲート電極／ゲート絶縁膜／有機活性膜／ソース・ドレイン電極、または基板／ゲート電極／ゲート絶縁膜／ソース・ドレイン電極／有機活性膜などの構造を有しうるが、これに限定されず、他の構造をも有しうる。
また本発明において、前記ゲート絶縁膜は、特に制限されないが、プリンティング、スピンコーティングまたはディッピング（ｄｉｐｐｉｎｇ）によって薄膜に形成されることが好ましい。
前記有機活性膜としては、通常用いられる物質を使用することができ、例えばペンタセン（ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）、銅フタロシアニン（ｃｏｐｐｅｒ ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）、ポリチオフェン（ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、ポリアニリン（ｐｏｌｙａｎｉｌｉｎｅ）、ポリアセチレン（ｐｏｌｙａｃｅｔｙｌｅｎｅ）、ポリピロール（ｐｏｌｙｐｙｒｒｏｌｅ）、ポリフェニレンビニレン（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌｅｎｅ）またはこれらの誘導体が挙げられるが、これに限定されない。
前記ゲート電極としては、通常用いられる物質を使用することができ、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、クロム（Ｃｒ）などが挙げられるが、これに限定されない。
前記ソースおよびドレイン電極としては、通常用いられる物質を使用することができ、例えば金、銀、ニッケル、アルミニウム、ＩＴＯ、クロムなどが挙げられるが、これに限定されない。
以下、本発明を実施例によって詳細に説明するが、これらの実施例は本発明を説明するためのもので、本発明を制限するためのものではない。
実施例１：有機絶縁高分子Ｓ１をゲート絶縁膜として使用し、ペンタセンを活性膜とする有機薄膜トランジスタの製造
下記化学式（４）で表される有機絶縁高分子Ｓ１を用いて図１のような構造の有機薄膜トランジスタを製造した。
下記化学式（４）で表される有機絶縁高分子Ｓ１を用いて図１のような構造の有機薄膜トランジスタを製造した。
まず、洗浄されたケイ素（ｓｉｌｉｃｏｎ）基板にＣＶＤ法によって厚さ３０００Åの酸化ケイ素膜を蒸着させた。その後、真空蒸着法でＡｌを用いて厚さ２０００Åのゲート電極を形成させた。次いで、有機絶縁高分子Ｓ１をＮＭＰに１０質量％の濃度で溶かし、スピンコーティング法によって前記ゲート電極上に１０００ｒｐｍで７０００Åの厚さにコートした後、窒素雰囲気中、１００℃で１時間ベーキングした。次に、ペンタセンをＯＭＢＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって真空度２×１０−６ｔｏｒｒ（２．６６×１０−４Ｐａ）、基板温度８０℃、蒸着比０．３Å／ｓｅｃの条件で７００Åの厚さに蒸着させた。ソース／ドレイン電極は金（Ａｕ）を材料として、チャネル長１００μｍ、チャネル幅２ｍｍのシャドーマスクを用いて真空蒸着法により形成させ、図１に示したトップコンタクト（ｔｏｐ ｃｏｎｔａｃｔ）方式の有機薄膜トランジスタを製造した。
上記で有機絶縁高分子Ｓ１上に形成されたペンタセン薄膜のＸＲＤグラフを図３に、ＡＦＭイメージを図４にそれぞれ示し、製造された有機薄膜トランジスタの電流伝達曲線を図５に示した。
＊ＸＲＤグラフ：ＫＲＵＳＳ社、ＡＰＤ １７００を用いて測定
＊ＡＦＭイメージ：ＰＳＩＡ社、ＡｕｔｏＰｒｏｂｅ ＣＰ Ｒｅｓｅａｒｃｈを用いて測定
＊電流伝達曲線：Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ社、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎａｌｙｚｅｒ ＨＰ４１５５ａを用いて測定。
＊ＡＦＭイメージ：ＰＳＩＡ社、ＡｕｔｏＰｒｏｂｅ ＣＰ Ｒｅｓｅａｒｃｈを用いて測定
＊電流伝達曲線：Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ社、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎａｌｙｚｅｒ ＨＰ４１５５ａを用いて測定。
実施例２：有機絶縁高分子Ｓ２をゲート絶縁膜として使用し、ペンタセンを活性膜とする有機薄膜トランジスタの製造
下記化学式（５）で表される有機絶縁高分子Ｓ２を用いて図１のような構造の有機薄膜トランジスタを製造した。
下記化学式（５）で表される有機絶縁高分子Ｓ２を用いて図１のような構造の有機薄膜トランジスタを製造した。
有機絶縁高分子Ｓ２をシクロヘキサノンに５質量％の濃度で溶かし、スピンコーティング法によってゲート電極上に２０００ｒｐｍで２１６３Åの厚さにコートした後、窒素雰囲気中、１００℃で１時間ベーキングした。その後、３５０ｎｍ、１０００ｍＪのＵＶで光配向を行ったことを除いては実施例１と同一の方法により有機薄膜トランジスタの製造を行った。
上記で有機絶縁高分子Ｓ２上に形成されたペンタセン薄膜のＸＲＤグラフを図６に、ＡＦＭイメージを図７にそれぞれ示し、製造された有機薄膜トランジスタの電流伝達曲線を図８に示した。
実施例３：有機絶縁高分子Ｓ３をゲート絶縁膜として使用し、ペンタセンを活性膜とする有機薄膜トランジスタの製造
下記化学式（６）で表される有機絶縁高分子Ｓ３を用いて図１のような構造の有機薄膜トランジスタを製造した。
下記化学式（６）で表される有機絶縁高分子Ｓ３を用いて図１のような構造の有機薄膜トランジスタを製造した。
有機絶縁高分子Ｓ３をシクロヘキサノンに５質量％の濃度で溶かし、スピンコーティング法によってゲート電極上に１０００ｒｐｍで３０８４Åの厚さにコートした後、窒素雰囲気中、１００℃で１時間ベーキングし、その後実施例２と同一の方法により光配向を行った。その他の製造条件は実施例１と同一であった。
上記で有機絶縁高分子Ｓ３上に形成されたペンタセン薄膜のＸＲＤグラフを図９に、ＡＦＭイメージを図１０にそれぞれ示し、製造された有機薄膜トランジスタの電流伝達曲線を図１１に示した。
実施例４：有機絶縁高分子Ｓ４をゲート絶縁膜として使用し、ペンタセンを活性膜とする有機薄膜トランジスタの製造
下記化学式（７）で表される有機絶縁高分子Ｓ４を用いて図１のような構造の有機薄膜トランジスタを製造した。
下記化学式（７）で表される有機絶縁高分子Ｓ４を用いて図１のような構造の有機薄膜トランジスタを製造した。
有機絶縁高分子Ｓ４をシクロヘキサノンに５質量％の濃度で溶かし、スピンコーティング法によってゲート電極上に１０００ｒｐｍで２９００Åの厚さにコートした後、窒素雰囲気中、１００℃で１時間ベーキングし、その後実施例２と同一の方法により光配向を行った。その他の製造条件は実施例１と同一であった。
上記で有機絶縁高分子Ｓ４上に形成されたペンタセン薄膜のＸＲＤグラフを図１２に、ＡＦＭイメージを図１３にそれぞれ示し、製造された有機薄膜トランジスタの電流伝達曲線を図１４に示した。
実施例５：有機絶縁高分子Ｓ１をゲート絶縁膜として使用し、伝導性高分子Ｐ３ＨＴを活性膜とする有機薄膜トランジスタの製造
ペンタセンの代わりに伝導性高分子を用いて活性膜を形成することを除いては実施例１と同一の方法により有機薄膜トランジスタを製造した。伝導性高分子のＰ３ＨＴ（Ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ−２，５−ｄｉｙｌ）はＡｌｄｒｉｃｈ社から購入し、精製して使用した。このＰ３ＨＴをクロロホルムに１質量％の濃度で溶かし、ゲート電極上に２０００ｒｐｍで２１６０Åの厚さにコートした後、窒素雰囲気中、１００℃で１時間ベーキングして有機活性膜を形成させた。
ペンタセンの代わりに伝導性高分子を用いて活性膜を形成することを除いては実施例１と同一の方法により有機薄膜トランジスタを製造した。伝導性高分子のＰ３ＨＴ（Ｐｏｌｙ（３−ｈｅｘｙｌｔｈｉｏｐｈｅｎｅ−２，５−ｄｉｙｌ）はＡｌｄｒｉｃｈ社から購入し、精製して使用した。このＰ３ＨＴをクロロホルムに１質量％の濃度で溶かし、ゲート電極上に２０００ｒｐｍで２１６０Åの厚さにコートした後、窒素雰囲気中、１００℃で１時間ベーキングして有機活性膜を形成させた。
上記で製造された有機薄膜トランジスタの電流伝達曲線を図１５に示した。
各実施例において、製造されたペンタセン薄膜について測定されたＸＲＤピークの値を報告資料（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌｉｄｓ ２９９−３０２，２００２、ｐｐ．１０４２−１０４６）と比較した。その結果、ペンタセン薄膜がうまく形成されたことが分かり、有機絶縁膜上に蒸着された有機活性膜のグレインサイズは約２〜３μｍ程度の範囲であった。これは無機薄膜上に自己組立体物質のＯＴＳ（Ｏｃｔａｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ）を処理することにより形成されたグレインのサイズ１μｍ（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．４１（２００２）ｐｐ．２７３０−２７３４）より２〜３倍大きいサイズである。
比較例１：ＳｉＯ２をゲート絶縁膜として使用し、ペンタセンを活性膜とする有機薄膜トランジスタの製造
本比較例では、図２に示した構造のようなボトムコンタクト（ｂｏｔｔｏｍ ｃｏｎｔａｃｔ）方式の有機薄膜トランジスタを製作した（ＯＴＳ膜は省く）。本比較例では、半導体工程において現在使用されている、ウェット化学洗浄方法のＲＣＡ洗浄法を用いてＳｉ基板の表面を処理した。前記基板は高準位でドープされたｐ＋−Ｓｉであり、ドープされたＳｉをゲートとして使用した。前記基板上に熱酸化工程法によって９９２ÅのＳｉＯ２を成長させ、これをさらにＲＣＡ方法を用いて洗浄した。洗浄後、１００℃で１５分間脱水ベーキングを行った。ドープされたケイ素基板をゲートとして用いるため、ＳｉＯ２を次の方法で部分的にエッチングした。まず、ヘキサメチルジシラザン（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）をスピンコーター（Ｓｐｉｎ−ｃｏａｔｅｒ）（ＲＡＵＲＥＬＬ、ＷＳ−４００−６ＮＰＰ）を用いて３０００ｒｐｍ、１０秒の条件で下塗りした後、フォトレジスト（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ ＰＲ Ａｚ １５１２）を２０００ｒｐｍ、１５秒の条件で塗布し、さらに１００℃で１５分間、ソフトベーキングを行った。部分エッチングのためにＭａｓｋ ａｌｉｇｎｅｒ（Ｋａｒｌｓｕｓｓ、ＭＪＢ３）を用いて部分エッチングウィンドウ形成用光学マスクを介して４０秒間露光を行った。その後、現像液（ＡＺ ３００ ＭＩＦ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ、Ｃｌａｒｉａｎｔ）を用いて現像した。現像後、流れる脱イオン水で現像液を除去しＮ２ガスで水分を除去した後、温度１００℃で１５分間ハードベーキングを行った。ＳｉＯ２のエッチング率を調節するためには、ＮＨ４Ｆを混ぜて作ったＢＨＦ（ｂｕｆｆｅｒｅｄ ＨＦ）を使用し、本比較例においては、５０％ＨＦ、脱イオン水およびＮＨ４Ｆを１：３：３の割合で希釈させて酸化膜をエッチングし、ゲートを形成させた。
本比較例では、図２に示した構造のようなボトムコンタクト（ｂｏｔｔｏｍ ｃｏｎｔａｃｔ）方式の有機薄膜トランジスタを製作した（ＯＴＳ膜は省く）。本比較例では、半導体工程において現在使用されている、ウェット化学洗浄方法のＲＣＡ洗浄法を用いてＳｉ基板の表面を処理した。前記基板は高準位でドープされたｐ＋−Ｓｉであり、ドープされたＳｉをゲートとして使用した。前記基板上に熱酸化工程法によって９９２ÅのＳｉＯ２を成長させ、これをさらにＲＣＡ方法を用いて洗浄した。洗浄後、１００℃で１５分間脱水ベーキングを行った。ドープされたケイ素基板をゲートとして用いるため、ＳｉＯ２を次の方法で部分的にエッチングした。まず、ヘキサメチルジシラザン（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）をスピンコーター（Ｓｐｉｎ−ｃｏａｔｅｒ）（ＲＡＵＲＥＬＬ、ＷＳ−４００−６ＮＰＰ）を用いて３０００ｒｐｍ、１０秒の条件で下塗りした後、フォトレジスト（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ ＰＲ Ａｚ １５１２）を２０００ｒｐｍ、１５秒の条件で塗布し、さらに１００℃で１５分間、ソフトベーキングを行った。部分エッチングのためにＭａｓｋ ａｌｉｇｎｅｒ（Ｋａｒｌｓｕｓｓ、ＭＪＢ３）を用いて部分エッチングウィンドウ形成用光学マスクを介して４０秒間露光を行った。その後、現像液（ＡＺ ３００ ＭＩＦ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ、Ｃｌａｒｉａｎｔ）を用いて現像した。現像後、流れる脱イオン水で現像液を除去しＮ２ガスで水分を除去した後、温度１００℃で１５分間ハードベーキングを行った。ＳｉＯ２のエッチング率を調節するためには、ＮＨ４Ｆを混ぜて作ったＢＨＦ（ｂｕｆｆｅｒｅｄ ＨＦ）を使用し、本比較例においては、５０％ＨＦ、脱イオン水およびＮＨ４Ｆを１：３：３の割合で希釈させて酸化膜をエッチングし、ゲートを形成させた。
さらにフォトレジストにより塗布し、ベーキングした後、ソース／ドレインパターンをリフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）工程により形成させた。ソース／ドレイン電極としては熱蒸着が容易で５．１ｅＶと大きい仕事関数を有するＡｕを使用した。
ソースおよびドレインが形成された素子は、最終的にチャネル長１０μｍ、チャネル幅２ｍｍのシャドーマスクを用いてペンタセンをＯＭＢＤ法によって真空度２×１０−６ｔｏｒｒ（２．６６×１０−４Ｐａ）、基板温度８０℃、蒸着比０．３Å／ｓｅｃの条件で７００Åの厚さに蒸着させた。製造した有機薄膜トランジスタは、図２に示すように逆コプラナー型であって、ゲート電極はソース／ドレインの反対側に位置し、その上にペンタセンが蒸着された形態である。なお、ペンタセン（Ａｌｄｒｉｃｈ社製、純度９９．８％）粉末は購入後、精製せずに使用した。
上記で形成されたペンタセン薄膜のＡＦＭイメージを図１６に、製造された有機薄膜トランジスタの電流伝達曲線を図１７にそれぞれ示した。
比較例２：ＯＴＳで表面処理したＳｉＯ２をゲート絶縁膜として使用し、ペンタセンを活性膜とする有機薄膜トランジスタの製造
ソースおよびドレイン電極が形成された基板を、クロロホルムに０．１Ｍの濃度で溶解させたＯＴＳ溶液に２４時間浸漬させる自己整列方法を用いて、ＳｉＯ２酸化膜にＯＴＳ膜を形成させたこと以外は、前記比較例１と同一の方法を用いて、有機薄膜トランジスタを製造した。
ソースおよびドレイン電極が形成された基板を、クロロホルムに０．１Ｍの濃度で溶解させたＯＴＳ溶液に２４時間浸漬させる自己整列方法を用いて、ＳｉＯ２酸化膜にＯＴＳ膜を形成させたこと以外は、前記比較例１と同一の方法を用いて、有機薄膜トランジスタを製造した。
上記で形成されたペンタセン薄膜のＡＦＭイメージを図１８に、製造された素子の電流伝達曲線を図１９にそれぞれ示した。
比較例３：ＯＴＳで表面処理したＳｉＯ２をゲート絶縁膜として使用し、伝導性高分子Ｐ３ＨＴを活性膜とする有機薄膜トランジスタの製造
有機活性膜としてペンタセンの代わりに伝導性高分子Ｐ３ＨＴを使用することを除いては、前記比較例２と同一の方法を用いて、有機薄膜トランジスタを製造した。Ａｌｄｒｉｃｈから購入して精製したＰ３ＨＴを、クロロホルムに１質量％の濃度で溶かした後、ゲート電極上に２０００ｒｐｍで２１６９Åの厚さにコートし、その後窒素雰囲気中、１００℃でベーキングして有機活性膜を形成させた。
有機活性膜としてペンタセンの代わりに伝導性高分子Ｐ３ＨＴを使用することを除いては、前記比較例２と同一の方法を用いて、有機薄膜トランジスタを製造した。Ａｌｄｒｉｃｈから購入して精製したＰ３ＨＴを、クロロホルムに１質量％の濃度で溶かした後、ゲート電極上に２０００ｒｐｍで２１６９Åの厚さにコートし、その後窒素雰囲気中、１００℃でベーキングして有機活性膜を形成させた。
上記で製造された有機薄膜トランジスタの電流伝達曲線を図２０に示す。
［物性測定方法］
１）ゲート絶縁膜の表面エネルギーの測定
有機絶縁高分子（Ｓ１〜Ｓ４）薄膜、ＳｉＯ２薄膜、ＯＴＳで処理されたＳｉＯ２薄膜が形成された試片を用いて表面エネルギーを測定した。表面エネルギーの測定は、ＫＲＵＳＳ社のＤｒｏｐ ｓｈａｐｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ（ＤＳＡ １０ ＭＫ２）を用いて次の方法により行った。
１）ゲート絶縁膜の表面エネルギーの測定
有機絶縁高分子（Ｓ１〜Ｓ４）薄膜、ＳｉＯ２薄膜、ＯＴＳで処理されたＳｉＯ２薄膜が形成された試片を用いて表面エネルギーを測定した。表面エネルギーの測定は、ＫＲＵＳＳ社のＤｒｏｐ ｓｈａｐｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ（ＤＳＡ １０ ＭＫ２）を用いて次の方法により行った。
ステージ（ｓｔａｇｅ）の温度を２５℃に合わせた後、測定する試片を載置した。次いで、３つのシリンジ（ｓｙｒｉｎｇｅ）に脱イオン水、ジヨードメタンおよびホルムアミドをそれそれぞれ注入し、その１つのシリンジを試片の垂直方向に立設させた。その後、モニタにシリンジの針先と試片が見えるように顕微鏡の距離と焦点を合わせてステージを左右に調節した。シリンジのネジを回して液滴を一滴落とし、１０秒経過後、基準線（ｂａｓｅｌｉｎｅ）を合わせて接触角度を測定した。残り２種の液体に対しても同一の方法で測定した。最後に、３種の液体を用いて測定した接触角度を分析プログラム（Ｄｒｏｐ ｓｈａｐｅ ａｎａｌｙｓｉｓ（ＤＳＡ），ｖｅｒ．１．７０．０．８１，ＫＲＵＳＳ）を用いて表面エネルギーを計算した。この方法により測定された表面エネルギーの結果を表１に示した。
２）有機薄膜トランジスタの電気的特性の評価
実施例１〜５および比較例１〜３で製造された素子を用いて電荷移動度を測定した。電荷移動度は、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ社のＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎａｌｙｚｅｒ（ＨＰ４１５５Ａ）で測定した電流伝達特性曲線から、下記の数式（２）で表される飽和領域（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）の電流式を用いて計算した。
実施例１〜５および比較例１〜３で製造された素子を用いて電荷移動度を測定した。電荷移動度は、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ社のＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎａｌｙｚｅｒ（ＨＰ４１５５Ａ）で測定した電流伝達特性曲線から、下記の数式（２）で表される飽和領域（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）の電流式を用いて計算した。
数式（２）を（ＩＳＤ）１／２のＶＧ関係式グラフに変形し、その式のグラフの傾きから下記の数式（３）を参照して電荷移動度μＦＥＴを求めた。求めた電荷移動度の結果を表１に示した。
（ＩＳＤ：ソース／ドレイン電流、μＦＥＴまたはμ：電荷移動度、Ｃ０：酸化膜静電容量、Ｗ：チャネル幅、Ｌ：チャネル長、ＶＧ：ゲート電圧、ＶＴ：しきい値電圧）。
３）グレインサイズの測定
グレインサイズは有機絶縁膜上に蒸着されたペンタセン薄膜のＡＦＭイメージに表示されているスケールを参照して求め、その値を平均することにより算出した。算出したグレインサイズの結果を表１に示した。
グレインサイズは有機絶縁膜上に蒸着されたペンタセン薄膜のＡＦＭイメージに表示されているスケールを参照して求め、その値を平均することにより算出した。算出したグレインサイズの結果を表１に示した。
表１より、本発明の有機絶縁高分子を使用した場合、活性膜物質に関係なく電荷移動度が大幅に向上したことが示され、特に電荷移動度が有機絶縁膜の表面エネルギーに影響されることが示された。
１…基板、
２…ゲート電極、
３…有機ゲート絶縁膜（図１）、またはＳｉＯ２ゲート絶縁膜（図２）、
４…ソース電極、
５…ドレイン電極、
６…有機活性膜、
７…自己組立体。
２…ゲート電極、
３…有機ゲート絶縁膜（図１）、またはＳｉＯ２ゲート絶縁膜（図２）、
４…ソース電極、
５…ドレイン電極、
６…有機活性膜、
７…自己組立体。
Claims (6)
- 下記化学式（１）で表される有機絶縁高分子からなる有機ゲート絶縁膜：
ｍとｎとの和は１であり、ｍは０．３〜０．７の実数、ｎは０．３〜０．７の実数であり、ｘとｙとの和は１であり、ｘは０．３〜０．７の実数、ｙは０．３〜０．７の実数であり、ｉとｊとの和は１であり、ｉは０〜１の実数、ｊは０〜１の実数である］。 - 前記有機絶縁高分子が下記化学式（３）で表されることを特徴とする、請求項１に記載の有機ゲート絶縁膜：
- 基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、有機活性膜、ソース／ドレイン電極および保護膜、またはゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース／ドレイン電極、有機活性膜および保護膜が順次積層されて形成された有機薄膜トランジスタにおいて、前記ゲート絶縁膜が請求項１に記載の有機ゲート絶縁膜であることを特徴とする、有機薄膜トランジスタ。
- 前記ゲート絶縁膜は、プリンティング、スピンコーティングまたはディッピングによって薄膜に形成されることを特徴とする、請求項３に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記有機活性膜は、ペンタセン、銅フタロシアニン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリフェニレンビニレンおよびこれらの誘導体からなる群より選択される物質で形成されることを特徴とする、請求項３または４に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記ゲート電極は、金、銀、ニッケル、アルミニウム、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）およびクロムからなる群より選択される物質で形成され、前記ソース電極およびドレイン電極がそれぞれ金、銀、ニッケル、アルミニウム、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）およびクロムからなる群より選択される物質で形成されることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタ。
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