JP4443944B2 - Transistor and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、トランジスタと、その製造方法に関する。 The present invention includes a transistor motor, a manufacturing method thereof.

近年、有機高分子や有機低分子から成る有機半導体材料をチャネル領域に用いた有機トランジスタが活発に研究されている。これは有機EL(Electro Luminescent Display)を代表とするディスプレイの薄型が進む現在において、より軽量で柔軟で可撓性のあるフレキシブルディスプレイや電子ペーパが近い将来に必要になると考えられているからである。ディスプレイのフレキシブル化が進めば、表示部分のみでなく駆動回路部分のフレキシブル化も必要となる。現在駆動回路の心臓部とも言える薄膜トランジスタ(Thin Film
Transistor、略称TFT)にはシリコン系の無機材料が使われているが、折り曲げるとTFTのチャネル領域、つまり半導体層にクラックが生じてしまうため、フレキシブルなデバイスを作製するには適さない。そこでフレキシビリティが高く軽量な有機半導体材料を用いた有機トランジスタへの期待が高まっている。
In recent years, an organic transistor using an organic semiconductor material composed of an organic polymer or an organic low molecule in a channel region has been actively studied. This is because it is considered that lighter, more flexible and flexible flexible displays and electronic paper will be needed in the near future as the display of organic EL (Electro Luminescent Display) is becoming thinner. . As the display becomes more flexible, not only the display part but also the drive circuit part must be made flexible. Thin film transistors (Thin Film)
Transistor (abbreviated as TFT) uses a silicon-based inorganic material, but if bent, a crack occurs in the TFT channel region, that is, the semiconductor layer, which is not suitable for manufacturing a flexible device. Therefore, there is an increasing expectation for an organic transistor using a flexible and lightweight organic semiconductor material.

たとえば、特許文献1〜5は、有機高分子や有機低分子から成る有機半導体材料を用いて作製する有機トランジスタを開示する。特許文献1は、電子授与性アクセプタ分子または電子供与性ドナー分子をドーパントとして、縮合多環芳香族化合物薄膜、たとえばペンタセン薄膜に導入した有機薄膜トランジスタを開示する。特許文献2は、有機発光ダイオードLED素子に電流を供給する非線型素子が、金属層を2つの有機層で挟持した構造を有する有機電子デバイスを開示する。特許文献3は、有機半導体材料中にアクセプタ性またはドナー性の導入分子を拡散させ、電荷移動錯体を生成した有機トランジスタを開示する。特許文献4は、共役多重結合を有する有機分子の層を含む能動チャネルを有する有機トランジスタを開示する。特許文献5は、有機半導体材料を有する電荷注入型有機トランジスタデバイスを開示する。   For example, Patent Documents 1 to 5 disclose an organic transistor manufactured using an organic semiconductor material made of an organic polymer or an organic low molecule. Patent Document 1 discloses an organic thin film transistor in which an electron-donating acceptor molecule or an electron-donating donor molecule is used as a dopant and introduced into a condensed polycyclic aromatic compound thin film, for example, a pentacene thin film. Patent Document 2 discloses an organic electronic device in which a non-linear element that supplies current to an organic light emitting diode LED element has a structure in which a metal layer is sandwiched between two organic layers. Patent Document 3 discloses an organic transistor in which a charge transfer complex is generated by diffusing acceptor or donor introduced molecules in an organic semiconductor material. Patent Document 4 discloses an organic transistor having an active channel including a layer of organic molecules having conjugated multiple bonds. Patent Document 5 discloses a charge injection type organic transistor device having an organic semiconductor material.

現状の無機TFTを有機TFTに取り替えることには製造上のメリットもある。これは塗布可能な有機高分子材料を用いれば、ソース、ドレイン、ゲートといった各電極や半導体層、絶縁層といったトランジスタの各主要構造を、印刷または塗布工程で作製することができるためである。現状の無機TFT作製工程では、真空中での蒸着や、フォトリソグラフィによるパターニング、さらにエッチングなどといった複雑な工程を数多くこなす必要性があり、プロセス上のコストが大きくかかってしまう。これらが全て常温・常圧下で印刷または塗布工程によって行うことができ、かつラインとして連続的に流すことができれば、大幅なコストダウンが期待される。このようなことから、たとえば非特許文献1は、有機高分子材料を用いてインクジェット法とスピンコート法によりソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、半導体層、および絶縁層を形成することで、有機トランジスタが作製できることを実証している。   Replacing the current inorganic TFT with an organic TFT also has manufacturing advantages. This is because if a coatable organic polymer material is used, each electrode such as a source, drain, and gate, and each main structure of a transistor such as a semiconductor layer and an insulating layer can be manufactured by a printing or coating process. In the current inorganic TFT manufacturing process, it is necessary to perform many complicated processes such as vacuum deposition, patterning by photolithography, and etching, resulting in high process costs. If all of these can be carried out by printing or coating processes at room temperature and normal pressure, and can be continuously flowed as a line, a significant cost reduction is expected. Therefore, for example, Non-Patent Document 1 discloses that an organic transistor is formed by forming a source electrode, a drain electrode, a gate electrode, a semiconductor layer, and an insulating layer using an organic polymer material by an ink jet method and a spin coating method. It has been demonstrated that can be made.

これらの前述の従来技術の有機トランジスタにおける有機半導体層のキャリア移動度は、現状最も移動度が大きいとされるペンタセンの単結晶であっても1cm/V・sec程度であり、せいぜいアモルファスシリコン程度の移動度しか達成されていない。したがって、ポリシリコンやシリコン結晶の移動度には遠く及ばず、フレキシブルディスプレイや電子ペーパ等の駆動回路部分に有機トランジスタ用いても、現状では動作周波数が足りなく、充分な性能を発揮することは困難である。 The carrier mobility of the organic semiconductor layer in these organic transistors of the above-described prior art is about 1 cm 2 / V · sec, even if it is a single crystal of pentacene, which is said to have the highest mobility at present, and is at most about amorphous silicon. Only mobility of is achieved. Therefore, the mobility of polysilicon and silicon crystals is not far, and even if organic transistors are used in the drive circuit parts such as flexible displays and electronic paper, the operating frequency is insufficient at present and it is difficult to achieve sufficient performance. It is.

特開平5−55568号公報JP-A-5-55568 特開2002−208486号公報JP 2002-208486 A 特開2002−204012号公報JP 2002-204012 A 特開2003−31816号公報JP 2003-31816 A 特開2003−101104号公報JP 2003-101104 A T. Kawase et al. Tech Digest of IEDM ,「All-Polymer Thin Film Transistors Fabricated by High-Resolution Ink-jet Printing」pp.25.5.1〜25.5.4 623 (2000)(c)2000 IEEET. Kawase et al. Tech Digest of IEDM, “All-Polymer Thin Film Transistors Fabricated by High-Resolution Ink-jet Printing” pp.25.5.1-25.5.4 623 (2000) (c) 2000 IEEE

フレキシブルディスプレイや電子ペーパのようなフレキシブルデバイスを作製する場合、この欠点は駆動回路部分、特にアドレッシングをする制御回路部分の高速動作の妨げとなり、充分な画像表示性能を発揮することが難しい。具体的には、表示装置などの制御回路部分に必要なトランジスタ動作周波数は数10MHz程度であるが、現状の有機トランジスタの最高動作周波数は数10kHz程度であり、これに遠く及ばなく、スムーズな画像表示が困難であるといった問題がある。   When a flexible device such as a flexible display or electronic paper is manufactured, this drawback hinders high-speed operation of a drive circuit portion, particularly a control circuit portion for addressing, and it is difficult to exhibit sufficient image display performance. Specifically, the transistor operating frequency required for a control circuit portion such as a display device is about several tens of MHz, but the current maximum operating frequency of an organic transistor is about several tens of kHz. There is a problem that display is difficult.

本発明の目的は、可撓性を有しかつキャリア移動度の高い半導体層を有するトランジスタとその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a transistor having a semiconductor layer having flexibility and high carrier mobility, and a manufacturing method thereof.

本発明は、少なくともカーボンナノチューブとイオン性液体とを含むゲル状組成物からなる半導体層をチャネル領域に用い、
前記イオン性液体は、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロ−ロボレート(1−Butyl−3−methylimidazolium tetrafluo-roborate)であることを特徴とするトランジスタである。
The present invention uses a semiconductor layer made of gel composition comprising at least carbon nanotubes and an ionic liquid in the channel region,
The ionic liquids are 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoro - a transistor, which is a Roboreto (1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluo-roborate).

また本発明は、前記半導体層を、可撓性を有する基材上に形成したことを特徴とする。
また本発明は、カーボンナノチューブとイオン性液体とを含むゲル状組成物からなる半導体層をチャネル領域に用いて、可撓性基材上に印刷または塗布し、前記イオン性液体は、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロ−ロボレートであることを特徴とするトランジスタの製造方法である。
Further, the present invention is characterized in that the semiconductor layer is formed on a flexible base material.
In the present invention, a semiconductor layer made of a gel-like composition containing carbon nanotubes and an ionic liquid is used for a channel region, and is printed or applied on a flexible substrate. The ionic liquid is 1-butyl A method for producing a transistor , characterized in that it is -3-methylimidazolium tetrafluoro-borate .

本発明に従えば、カーボンナノチューブの有する高電子速度、高電流密度という優れた材料特性により、たとえば100cm/V・secを超える高移動度の半導体層の実現と、それによるたとえば数10MHzを超える高周波数でのトランジスタなどの半導体素子の動作が可能となる。また、カーボンナノチューブ自体、柔軟性が高く、引張強度がたとえば数10GPaであって、強い細い糸状の材料であるため、フレキシブルデバイスに最適な柔軟性の高い半導体層を形成することが可能である。 According to the present invention, due to the excellent material properties of the carbon nanotube, such as high electron velocity and high current density, it is possible to realize a semiconductor layer with high mobility exceeding, for example, 100 cm 2 / V · sec, thereby exceeding, for example, several tens of MHz. A semiconductor element such as a transistor can be operated at a high frequency. In addition, since the carbon nanotube itself is highly flexible and has a tensile strength of, for example, several tens GPa and is a strong thin thread-like material, it is possible to form a highly flexible semiconductor layer optimal for a flexible device.

カーボンナノチューブをイオン性液体と混合することにより、ゲル状となって存在するため、任意の形状に半導体層を作製することが可能である。またハンドリング性が良好なため、連続ライン生産による大量生産化が容易となる。   Since carbon nanotubes are mixed with an ionic liquid and exist in a gel state, a semiconductor layer can be formed in an arbitrary shape. Moreover, since the handling property is good, mass production by continuous line production becomes easy.

前記半導体層を、前記ゲル状組成物のハンドリング性を利用して、基材への塗布または印刷によって作製することができる。このように半導体層の形成に塗布または印刷工程を用いることで、従来技術におけるトランジスタ作製時に用いられる大型な製膜装置や真空装置が必要なくなり、装置コストが抑えられる。しかも常温・常圧下での連続ライン生産を実現することができるため、デバイスの大量生産化・低コスト化が可能となる。   The said semiconductor layer can be produced by the application | coating to a base material, or printing using the handleability of the said gel-like composition. In this way, by using a coating or printing process for forming the semiconductor layer, a large-scale film forming apparatus and a vacuum apparatus that are used at the time of manufacturing a transistor in the conventional technique are not necessary, and the apparatus cost can be reduced. In addition, continuous line production at normal temperature and normal pressure can be realized, so that mass production and cost reduction of devices can be achieved.

カーボンナノチューブゲルの半導体層の形成方法は、カーボンナノチューブゲルのハンドリング性を利用して通常の印刷方法、たとえばスクリーン印刷、オフセット印刷、凸版印刷、凹版印刷、孔版印刷等やインクジェット法、スピンコート法等のような印刷又は塗布プロセスによって容易に形成することができる。   The method for forming the carbon nanotube gel semiconductor layer is a normal printing method utilizing the handling properties of the carbon nanotube gel, such as screen printing, offset printing, letterpress printing, intaglio printing, stencil printing, ink jet method, spin coating method, etc. Can be easily formed by a printing or coating process.

本発明において、電気絶縁性基材、たとえば可撓性を有するフィルム状またはシート状のフレキシブル基板を用いることが可能となり、その上に形成する半導体層として印刷又は塗布工程によって作製したカーボンナノチューブを含むゲル状組成物を用いることで、高い柔軟性を有し高周波数動作が可能なトランジスタを常温・常圧下の連続ライン工程で作製することができる。これによって高性能なフレキシブルトランジスタの低コストな提供が可能となる。   In the present invention, an electrically insulating substrate, for example, a flexible film-like or sheet-like flexible substrate can be used, and includes a carbon nanotube produced by a printing or coating process as a semiconductor layer formed thereon. By using the gel composition, a transistor having high flexibility and capable of high-frequency operation can be manufactured in a continuous line process under normal temperature and normal pressure. This makes it possible to provide a high-performance flexible transistor at a low cost.

電気絶縁性基材の材料、および後述の電界効果トランジスタ(略称FET)などのための絶縁膜の材料は、特に限定するものはないが、フレキシブル基板材料としてファンクショナルノルボルネン系樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、スチレン系樹脂、塩化ビニル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、オレフィン系樹脂、ポリイミド樹脂、セルロース樹脂等が挙げられる。また、これらの樹脂同士もしくはそれ以外も加えたコポリマーでもよい。また、前記基材として、シリコン基板表面を熱酸化して得られる熱酸化シリコン薄膜、又はチッ化シリコンなどの無機材料を製膜装置によって作製する無機薄膜等や有機材料と無機材料との混合材料や有機−無機コンポジット材料を用いることも可能である。   The material of the electrically insulating substrate and the material of the insulating film for a field effect transistor (abbreviated as FET), which will be described later, are not particularly limited, but as a flexible substrate material, functional norbornene resin, acrylic resin, polyester Examples include resins, polycarbonate resins, styrene resins, vinyl chloride resins, epoxy resins, fluororesins, olefin resins, polyimide resins, and cellulose resins. Moreover, the copolymer which added these resins or other than that may be sufficient. Further, as the base material, a thermally oxidized silicon thin film obtained by thermally oxidizing the surface of a silicon substrate, an inorganic thin film produced by an inorganic material such as silicon nitride using a film forming apparatus, or a mixed material of an organic material and an inorganic material It is also possible to use organic-inorganic composite materials.

前記基材または絶縁膜にラビング処理等の加工を施しても良いし、2層以上積層してもよい。これによりカーボンナノチューブが配向しさらに高い電子移動度が得られる。   The base material or the insulating film may be subjected to processing such as rubbing treatment, or two or more layers may be laminated. As a result, the carbon nanotubes are aligned and higher electron mobility is obtained.

電極材料は特に限定するものはないが、金、アルミ、銅等の金属材料でもよいし、GaAsなどの高い電気伝導度を有する半導体材料も用いることは可能である。特性向上のために2層以上積層してもよい。   The electrode material is not particularly limited, but a metal material such as gold, aluminum, or copper may be used, and a semiconductor material having high electrical conductivity such as GaAs may be used. Two or more layers may be laminated to improve the characteristics.

また本発明は、カーボンナノチューブは、ゲル状組成物の0.01〜10.0重量%であることを特徴とする。   In the present invention, the carbon nanotube is 0.01 to 10.0% by weight of the gel composition.

また本発明は、前記半導体は、厚み10〜200nmであることを特徴とする。 The present invention, the semiconductor layer, you being a thickness 10 to 200 nm.

本発明に従えば、カーボンナノチューブは、半導体層を構成するゲル状組成物の0.01〜10.0重量%である。0.01重量%未満では、ゲル状組成物の半導体特性、特に電気伝導度が不充分となる。10.0重量%を超えると、カーボンナノチューブがイオン性液体に均一に分散せず、凝集し、その結果、ゲル状が達成されない。   According to the present invention, the carbon nanotubes are 0.01 to 10.0% by weight of the gel composition constituting the semiconductor layer. If it is less than 0.01% by weight, the semiconductor properties of the gel composition, particularly the electrical conductivity, will be insufficient. When the content exceeds 10.0% by weight, the carbon nanotubes are not uniformly dispersed in the ionic liquid and are aggregated, and as a result, a gel state is not achieved.

本発明において用いられるイオン性液体は、特に限定するものはなく、従来知られた各種のイオン性液体を使用することができるが、常温または可及的に常温に近い温度において液体を呈し、安定なものが好ましい。また、下記の一般式(I)〜(IV)で表されるカチオンと陰イオン(X−)よりなるイオン性液体が特に好ましい。   The ionic liquid used in the present invention is not particularly limited, and various conventionally known ionic liquids can be used. However, the ionic liquid exhibits a liquid at room temperature or as close to room temperature as possible, and is stable. Is preferable. Moreover, the ionic liquid which consists of a cation represented by the following general formula (I)-(IV) and an anion (X-) is especially preferable.

Figure 0004443944
Figure 0004443944

[NR4−X …(III)
[PR4−X …(IV)
[NR X H 4-X ] + (III)
[PR X H 4-X ] + (IV)

上記の式(I)〜(IV)において、Rは炭素数10以下のアルキル基またはエーテル結合を含み、炭素と酸素の合計数が10以下のアルキル基を表す。式(I)においてR1は炭素数1〜4のアルキル基または水素原子を表し、炭素数1のメチル基がより好ましい。また式(I)において、RとR1は同一ではないことが好ましい。式(III)および(IV)において、Xは1〜4の整数である。   In the above formulas (I) to (IV), R represents an alkyl group having 10 or less carbon atoms or an ether bond, and an alkyl group having a total number of carbon and oxygen of 10 or less. In the formula (I), R1 represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or a hydrogen atom, and a methyl group having 1 carbon atom is more preferable. In the formula (I), R and R1 are preferably not the same. In the formulas (III) and (IV), X is an integer of 1 to 4.

陰イオン(X−)としては、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、ビス(トリフロロメチルスルホニル)イミド酸、過塩素酸、トリス(トリフロロメチルスルホニル)炭素酸、トリフロロメタンスルホン酸、ジシアンアミド、トリフロロ酢酸、有機カルボン酸、またはハロゲンイオンより選ばれた少なくとも1種である。これらは1種類のみ用いてもよいし、複数のイオン性液体を用いてもよい。   Anions (X-) include tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, bis (trifluoromethylsulfonyl) imidic acid, perchloric acid, tris (trifluoromethylsulfonyl) carbonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, dicyanamide , Trifluoroacetic acid, organic carboxylic acid, or halogen ion. Only one kind of these may be used, or a plurality of ionic liquids may be used.

ゲル状組成物から成る半導体層の厚みは、10nm以上であることによって、トランジスタなどの半導体素子の前述の高性能を達成することができ、生産性の観点から、200nm以下が好ましい。   When the thickness of the semiconductor layer made of the gel composition is 10 nm or more, the above-described high performance of a semiconductor element such as a transistor can be achieved, and 200 nm or less is preferable from the viewpoint of productivity.

本発明のカーボンナノチューブを用いるトランジスタによれば、カーボンナノチューブを含むゲル組成物を、たとえば印刷または塗布といった簡便な方法で、高移動度でかつ柔軟性の高い半導体層を有した高周波数で動作可能なトランジスタを作製することができる。半導体層をゲル状のまま用いることにより、柔軟性が得られ、外力や変形によるクラックの発生などの悪影響を小さくできる。さらにフレキシブルな基材を用いることにより、変形可能なトランジスタを得ることができ、たとえば多数のトランジスタが形成されたフィルムを、電子機器のハウジングなどの支持体の曲面に、貼り付けて使用することも可能となる。 According to the transistor using the carbon nanotube of the present invention, the gel composition containing the carbon nanotube can be operated at a high frequency with a highly mobile and flexible semiconductor layer by a simple method such as printing or coating. the such transistor data can be produced. By using the semiconductor layer in a gel state, flexibility is obtained and adverse effects such as generation of cracks due to external force or deformation can be reduced. Further, by using a flexible substrate, it is possible to obtain a deformable transistor data, for example, the number of transistors data is formed films, the curved surface of a support such as housing of the electronic device, using paste It is also possible.

カーボンナノチューブは、グラフェンシートを巻いたような構造をしており、π電子軌道を持ったシートが細かい間隔(たとえば直径1nm程度)で巻かれているので、π電子軌道の重なりは大きくなって、電子の移動は、し易くなる。カーボンナノチューブを含むゲルにおいて、その電子移動は、カーボンナノチューブ間のわずかなホッピング伝導と、カーボンナノチューブ内での早い電子移動で規定されるため、その高い速度で電子が移動することにより、高周波での動作が可能となる。   The carbon nanotube has a structure like a graphene sheet wound, and a sheet having a π electron orbit is wound at a fine interval (for example, about 1 nm in diameter), so the overlap of the π electron orbit becomes large, It becomes easier to move the electrons. In gels containing carbon nanotubes, the electron transfer is defined by the slight hopping conduction between the carbon nanotubes and the rapid electron transfer in the carbon nanotubes. Operation is possible.

また半導体層を、印刷または塗布といった簡便な方法で形成できるので、製造の低コスト化が可能となる。したがって高速動作と大量生産化・低コスト化の両立が可能となり、フレキシブルディスプレイや電子ペーパなどの高周波数を必要とするフレキシブルデバイスを低コストに提供することができるようになる。   In addition, since the semiconductor layer can be formed by a simple method such as printing or coating, the manufacturing cost can be reduced. Therefore, it is possible to achieve both high-speed operation and mass production / cost reduction, and it is possible to provide a flexible device such as a flexible display or electronic paper that requires a high frequency at a low cost.

図1は、本発明の実施の一形態のいわゆるボトムゲート型の横型トランジスタ11を示す断面図である。まず、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムの基板1上に、金を蒸着してゲート電極2を作製する。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a so-called bottom gate type lateral transistor 11 according to an embodiment of the present invention. First, gold is vapor-deposited on a substrate 1 of a PET (polyethylene terephthalate) film to produce a gate electrode 2.

次に前記電極2と基板1の電極2によって覆われていない領域上に、ポリイミド樹脂から成る絶縁層3を、スピンコートによって形成する。ポリイミド樹脂の前駆体をスピンコートにより基板1上に形成した後、直ちに乾燥・イミド化処理を施す。   Next, an insulating layer 3 made of polyimide resin is formed on the region of the substrate 2 not covered with the electrode 2 by spin coating. After the polyimide resin precursor is formed on the substrate 1 by spin coating, it is immediately dried and imidized.

次に作製した絶縁層3上に、金を蒸着にすることによって、ソース電極4とドレイン電極5とを作製する。これらの電極4,5上と、これらの電極4,5が形成されていない絶縁性3の露出した領域上に、インクジェット法によってカーボンナノチューブを含むゲル状組成物から成る半導体層6を形成する。   Next, the source electrode 4 and the drain electrode 5 are produced on the produced insulating layer 3 by vapor deposition of gold. A semiconductor layer 6 made of a gel-like composition containing carbon nanotubes is formed on the electrodes 4 and 5 and on the exposed region of the insulating material 3 where the electrodes 4 and 5 are not formed by an inkjet method.

カーボンナノチューブを含むゲル状組成物は、イオン性液体である1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロ−ロボレート1000mg中に、直径1nm、長さ約1μm程度のシングルウォールカーボンナノチューブの粉末1mgを、乳鉢でかき混ぜることで作製する。このようにしてボトムゲート型のカーボンナノチューブゲル横型トランジスタである電界効果トランジスタが作製される。半導体層6を設ける前に、絶縁膜3はラビング処理され、こうしてラビング処理された絶縁膜3の上に、前述の電極4,5およびゲル状組成物から成る半導体層6が形成されることが好ましい。各電極2,4,5の厚みは、たとえば20nmであり、絶縁膜3の厚みは、たとえば1〜100nmであってもよく、好ましくは30nmであってもよい。半導体層6の厚みは、10〜200nmであり、好ましくは20〜100nmである。   A gel-like composition containing carbon nanotubes was obtained by adding 1 mg of single-wall carbon nanotube powder having a diameter of about 1 μm and a length of about 1 μm in 1000 mg of 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoro-borate, which is an ionic liquid, Prepare by stirring in a mortar. In this way, a field effect transistor which is a bottom gate type carbon nanotube gel lateral transistor is manufactured. Before the semiconductor layer 6 is provided, the insulating film 3 is rubbed, and the semiconductor layers 6 made of the electrodes 4 and 5 and the gel composition are formed on the insulating film 3 thus rubbed. preferable. Each electrode 2, 4, 5 has a thickness of 20 nm, for example, and insulating film 3 may have a thickness of, for example, 1-100 nm, preferably 30 nm. The thickness of the semiconductor layer 6 is 10 to 200 nm, preferably 20 to 100 nm.

図2は、図1に示される半導体層6の本件発明者の実験による特性を示すグラフである。本件発明者は、イオン性液体である1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロ−ロボレート1000mg中に直径1nm、長さ約1μm程度のシングルウォールカーボンナノチューブの粉末1mgを乳鉢でかき混ぜることで分散させたゲル状組成物を前述のように作製し、その電気抵抗の温度依存性を測定した。この測定結果は、図2に示される。この図2に示されるようにカーボンナノチューブを含むゲル状組成物は、温度の低下に伴って、電気抵抗が低下する電気的特性である半導体の挙動を示すことが発見された。   FIG. 2 is a graph showing characteristics of the semiconductor layer 6 shown in FIG. The present inventor dispersed 1 mg of single-wall carbon nanotube powder having a diameter of about 1 nm and a length of about 1 μm in 1000 mg of 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoro-roborate, which is an ionic liquid, by dispersing in a mortar. The gel composition was prepared as described above, and the temperature dependence of the electrical resistance was measured. The measurement result is shown in FIG. As shown in FIG. 2, it was discovered that the gel-like composition containing carbon nanotubes exhibits the behavior of a semiconductor, which is an electrical property in which the electrical resistance decreases with decreasing temperature.

この実験における電気抵抗の測定は、基板上に金から成る端子が予め形成されたガラス基板を用い、その端子が形成されたガラス基板の上にカーボンナノチューブを含むゲル状組成物を塗布して評価サンプルを作製した。電気抵抗の測定は4端子法で行った。液体ヘリウムのガス雰囲気中に密閉することで前記サンプルを冷却しながら測定した。前記カーボンナノチューブを含むゲル状組成物を半導体層として用いたボトムゲート型の横型トランジスタを、図1に関連して前述したように作製し、電流−電圧特性を評価したところ、on/offの各状態における電気抵抗の高い比を有するトランジスタとしてカーボンナノチューブを含むゲル状組成物から成る半導体層6が動作することを見出した。   In this experiment, the electrical resistance is measured by using a glass substrate on which a terminal made of gold is previously formed on a substrate, and applying a gel-like composition containing carbon nanotubes on the glass substrate on which the terminal is formed. A sample was made. The electrical resistance was measured by the 4-terminal method. The measurement was performed while cooling the sample by sealing in a liquid helium gas atmosphere. A bottom-gate lateral transistor using the gel-like composition containing the carbon nanotube as a semiconductor layer was fabricated as described above with reference to FIG. 1 and the current-voltage characteristics were evaluated. It has been found that the semiconductor layer 6 made of a gel-like composition containing carbon nanotubes operates as a transistor having a high electrical resistance ratio in the state.

図3は、本発明の実施の他の形態のいわゆるトップアンドゲート型の横型トランジスタ12の断面図である。この実施の形態は、前述の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。まず、PETフィルムの基板1上に、金を蒸着によりパターニングして、ソース電極4と、ドレイン電極5とを形成する。次にこれら電極4,5上と、基板1の電極4,5が形成されておらず露出した領域上に、インクジェット法等の塗布工程によって前述の実施の形態と同様に、カーボンナノチューブを含むゲル状組成物を半導体層6として形成する。さらにその上にスピンコート法などの塗布工程によって、ポリイミド薄膜を塗布し、直ちに乾燥・イミド化することで、ポリイミド樹脂から成る絶縁層3を形成する。最後にポリイミド絶縁層の上にゲート電極2として金を蒸着することでトップゲート型のトランジスタを完成する。図3に示される実施の形態におけるそのほかの構成は、前述の実施の形態と同様である。   FIG. 3 is a cross-sectional view of a so-called top-and-gate lateral transistor 12 according to another embodiment of the present invention. This embodiment is similar to the above-described embodiment, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals. First, a source electrode 4 and a drain electrode 5 are formed on a PET film substrate 1 by patterning gold by vapor deposition. Next, on these electrodes 4 and 5 and on the exposed region where the electrodes 4 and 5 of the substrate 1 are not formed, a gel containing carbon nanotubes is applied by the coating process such as the ink jet method as in the above-described embodiment. A composition is formed as the semiconductor layer 6. Furthermore, the polyimide thin film is apply | coated by the application | coating processes, such as a spin coat method, and the insulating layer 3 which consists of a polyimide resin is formed by drying and imidizing immediately. Finally, gold is deposited as a gate electrode 2 on the polyimide insulating layer to complete a top gate type transistor. Other configurations in the embodiment shown in FIG. 3 are the same as those in the above-described embodiment.

図4は、本発明の実施のさらに他の形態のいわゆるSIT(Static Induction
Transistor、静電誘導トランジスタ)型の縦型トランジスタ13を示す断面図である。この図4に示される実施の形態は、前述の図1〜図3に示される実施の各形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。まず、PETフィルムの基板1上に、金を蒸着しソースまたはドレインの一方の電極4を形成する。この電極4の上に、インクジェット法等により前述の実施の形態と同様にカーボンナノチューブを含むゲル状組成物を塗布する。その上に金を蒸着してゲート電極2として挿入する。そのゲート電極2の上に再びインクジェット法等によりカーボンナノチューブを含むゲル状組成物を塗布し、半導体層6とする。こうしてゲート電極2は、半導体層6内に埋設される。さらに、その半導体層6の上に、金を蒸着積層することで、ソースまたはドレインの他方の電極5を形成する。こうして縦型トランジスタを完成する。電極4,5は同一形状を有し、これらの電極4,5間に半導体層6がサンドイッチされ、半導体層6内に複数(たとえばこの実施の形態では4)のゲート電極2が埋設される。
FIG. 4 shows a so-called SIT (Static Induction) according to still another embodiment of the present invention.
1 is a cross-sectional view showing a vertical transistor 13 of a transistor (electrostatic induction transistor) type. The embodiment shown in FIG. 4 is similar to each of the embodiments shown in FIGS. 1 to 3 described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals. First, gold is vapor-deposited on a PET film substrate 1 to form one of the source and drain electrodes 4. On the electrode 4, a gel-like composition containing carbon nanotubes is applied by the inkjet method or the like as in the above-described embodiment. Gold is deposited thereon and inserted as the gate electrode 2. A gel-like composition containing carbon nanotubes is again applied on the gate electrode 2 by an ink jet method or the like to form the semiconductor layer 6. Thus, the gate electrode 2 is embedded in the semiconductor layer 6. Further, gold is deposited on the semiconductor layer 6 to form the other source or drain electrode 5. A vertical transistor is thus completed. The electrodes 4 and 5 have the same shape, the semiconductor layer 6 is sandwiched between the electrodes 4 and 5, and a plurality of (for example, 4 in this embodiment) gate electrodes 2 are embedded in the semiconductor layer 6.

図5は、本発明の実施のさらに他の形態のいわゆるトップアンドボトム型トランジスタ14の断面図である。この実施の形態は、前述の実施の各形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。PETフィルムの基板1上に、金を蒸着によりソース電極4を形成し、インクジェット法等の塗布工程によって、前述の実施の各形態と同様にカーボンナノチューブを含むゲル状組成物から成る半導体層6を塗布する。その後、金を蒸着して、ドレイン電極5とする。その上にスピンコート法により、ポリイミド樹脂から成る絶縁層3を形成し、さらに金を蒸着してゲート電極2とする。ここで、ソース電極4とドレイン電極5とは、上下の位置が置き換わってもよい。上述の実施の各形態で用いる基板1の材料、絶縁層3の材料、電極2,4,5の材料は、前述した各材料から、適宜選択して用いることができる。   FIG. 5 is a cross-sectional view of a so-called top-and-bottom transistor 14 according to still another embodiment of the present invention. This embodiment is similar to each of the above-described embodiments, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals. A source electrode 4 is formed on a PET film substrate 1 by vapor deposition, and a semiconductor layer 6 made of a gel-like composition containing carbon nanotubes is formed by a coating process such as an inkjet method, as in the above-described embodiments. Apply. Thereafter, gold is deposited to form the drain electrode 5. An insulating layer 3 made of polyimide resin is formed thereon by spin coating, and gold is further deposited to form the gate electrode 2. Here, the upper and lower positions of the source electrode 4 and the drain electrode 5 may be interchanged. The material of the substrate 1, the material of the insulating layer 3, and the materials of the electrodes 2, 4, 5 used in each embodiment described above can be appropriately selected from the materials described above.

上述の実施の各形態は、電界効果トランジスタ11〜14であるが、本発明の実施のさらに他の形態では、イオン性液体のドーパントの働きを果たすイオンの種類を変化することによって、p型半導体層およびn型半導体層をそれぞれ形成し、たとえばpnp導電形式またはnpn導電形式のバイポーラ型トランジスタを実現することもまた、可能である。本発明によれば、トランジスタだけでなく、そのほかの種類の半導体素子を実現することもできる。   Each of the above embodiments is a field effect transistor 11-14, but in yet another embodiment of the present invention, a p-type semiconductor can be obtained by changing the type of ions that serve as dopants for the ionic liquid. It is also possible to form a bipolar transistor of the pnp conductivity type or the npn conductivity type, for example, by forming a layer and an n-type semiconductor layer, respectively. According to the present invention, not only a transistor but also other types of semiconductor elements can be realized.

このようなカーボンナノチューブを含むトランジスタによって、柔軟でかつ高いキャリア移動度を有する半導体層を、たとえば印刷または塗布といった簡便な手法で作製することができる。そのためフレキシブルディスプレイや電子ペーパのような高いフレキシビリティと、高い周波数駆動性能が必要なフレキシブルデバイスを、実現することが可能となる。さらに前記フレキシブルデバイスの大量生産化・低コスト化が、可能となる。 Therefore the transistor data containing such carbon nanotubes, a semiconductor layer having a soft and high carrier mobility can be manufactured by a simple method such as, for example printing or coating. Therefore, it is possible to realize a flexible device that requires high flexibility such as a flexible display and electronic paper and high frequency drive performance. Furthermore, mass production and cost reduction of the flexible device are possible.

本発明の実施の一形態のいわゆるボトムゲート型の横型トランジスタ11を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a so-called bottom-gate lateral transistor 11 according to an embodiment of the present invention. 図1に示される半導体層6の本件発明者の実験による特性を示すグラフである。It is a graph which shows the characteristic by experiment of this inventor of the semiconductor layer 6 shown by FIG. 本発明の実施の他の形態のいわゆるトップゲート型の横型トランジスタの断面図である。It is sectional drawing of what is called a top gate type horizontal transistor of other embodiment of this invention. 本発明の実施のさらに他の形態のいわゆるSIT型の縦型トランジスタ13を示す断面図である。It is sectional drawing which shows what is called a SIT type | mold vertical transistor 13 of the further another form of implementation of this invention. 本発明の実施のさらに他の形態のいわゆるトップアンドボトムコンタクト(略称TBC)型トランジスタ14の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a so-called top and bottom contact (abbreviated as TBC) transistor 14 according to still another embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 ゲート電極
3 絶縁層
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 半導体層
11,12,13,14 トランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Gate electrode 3 Insulating layer 4 Source electrode 5 Drain electrode 6 Semiconductor layer 11, 12, 13, 14 Transistor

Claims (5)

少なくともカーボンナノチューブとイオン性液体とを含むゲル状組成物からなる半導体層をチャネル領域に用い、
前記イオン性液体は、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロ−ロボレートであることを特徴とするトランジスタ
The semiconductor layer composed of a gel composition used in the channel region including at least carbon nanotubes and an ionic liquid,
Transistor, which is a Roboreto - the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoro.
前記半導体層を、可撓性を有する基材上に形成したことを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ2. The transistor according to claim 1, wherein the semiconductor layer is formed on a flexible base material. カーボンナノチューブは、ゲル状組成物の0.01〜10.0重量%であることを特徴とする請求項1または2記載のトランジスタCarbon nanotubes transistor according to claim 1 or 2, wherein it is 0.01 to 10.0% by weight of the gel composition. 前記半導体は、厚み10〜200nmであることを特徴とする請求項1〜3のうちの1つに記載のトランジスタThe transistor according to claim 1 , wherein the semiconductor layer has a thickness of 10 to 200 nm. カーボンナノチューブとイオン性液体とを含むゲル状組成物からなる半導体層をチャネル領域に用いて、可撓性基材上に印刷または塗布し、前記イオン性液体は、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロ−ロボレートであることを特徴とするトランジスタの製造方法。 Using a semiconductor layer made of gel composition containing carbon nanotube and an ionic liquid in the channel region, printed or coated on a flexible substrate, wherein the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium A process for producing a transistor , characterized in that it is lithium tetrafluoro-borate .
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