JP4634020B2 - 縦型電界効果トランジスタ用半導体層、縦型電界効果トランジスタ - Google Patents
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Description
従来より研究されている有機半導体材料としては、ポリフェニレンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェン、オリゴチオフェン等の共役系高分子と、アントラセン、テトラセン、ペンタセン等のアセン系(ベンゼン環が線状に繋がっているタイプの)縮合多環芳香族化合物(以下、「ポリアセン化合物」と称する。)が挙げられる。
さらに、有機薄膜トランジスタの半導体層として、ドーピングが施された縮合ベンゼン環の数が4以上13以下である縮合多環芳香族化合物薄膜を使用することも報告されている(例えば、特許文献1参照)。
一方、半導体層によるキャリア輸送方向が基板と垂直な方向である「縦型」半導体装置は、最近、電極間距離を膜厚程度に狭くできることと、電極間のキャリアパスを面にできることから、高速素子、大電流素子、パワー素子等としての利用が期待されている。この縦型半導体装置としては、SIT(スタティックインダクショントランジスタ:静電誘導)やTBC型(トップ・ボトムコンタクト型)素子が挙げられる。
したがって、キャリア移動度の高い縦型半導体装置を得るためには、基板面と垂直な方向に選択的に高い電導度を有する薄膜を、半導体層として形成する必要がある。
本発明の課題は、有機化合物からなる半導体層を備えた半導体装置として、キャリア移動度の高い縦型半導体装置を得ることにある。
ベンゼン環が面状に繋がっている平面構造の分子からなる縮合多環芳香族化合物、またはその誘導体は、ベンゼン環が線状に繋がっているポリアセン化合物と比較して、分子面(共役二重結合を有する面)が基板面に対して傾いた状態で配向され易い。そのため、ベンゼン環が面状に繋がっている平面構造の分子からなる縮合多環芳香族化合物、またはその誘導体からなる薄膜の電導特性は、基板面に垂直な方向の電導度(σ1 )と基板面に平行な方向の電導度(σ2 )との比(σ1 /σ2 )が1を超える値になり、基板面と垂直な方向に選択的に高い電導度を有するものとすることができる。前記電導度の比(σ1 /σ2 )は3以上であることが好ましく、10以上であることがより好ましく、20以上であることがさらに好ましい。
縮合多環芳香族化合物およびその誘導体の例としては、テリレン、アンタンスレン、クオテリレン、オバレン、コロネン、ジベンゾコロネン、テトラベンゾコロネン、ヘキサベンゾコロネン、ベンゾジコロネン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、サーコビフェニル、イソビオラントレン、ビオラントレン、イソビオラントロンが挙げられる。これらのうち、クオテリレン、ジベンゾコロネン、テトラベンゾコロネン、ヘキサベンゾコロネン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、サーコビフェニル、イソビオラントレン、およびイソビオラントロンから選択された少なくとも1つを使用することが、前記電導度の比(σ1 /σ2 )が高くなるため好ましい。
本発明では、イソビオラントレン、ベンゾジコロネン、およびジベンゾコロネンから選択された1つを縦型電界効果トランジスタ用半導体層として使用する。
本発明において、薄膜を形成する基板材料としては、種々の材料が利用可能であり、例えばガラス、石英、酸化アルミニウム、サファイア、窒化珪素、炭化珪素等のセラミックス基板、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム燐、ガリウム窒素等半導体基板、ポリエチレンテレフタレート、ポリナフタレンテレフタレート等のポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコール共重合体、環状ポリオレフィン、ポリイミド、ポリアミド、ポリスチレン等の樹脂基板、紙、不織布等を用いることができる。
本発明は、半導体層として特定の化合物を使用することに特徴があり、製造方法としては、前記半導体層の形成方法以外の点では全て従来より公知の方法が採用できる。前記半導体層のパターニング方法としても、従来より公知のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を採用することができる。なお、半導体装置の製造方法において、溶液を用いた工程を行う場合には、前記半導体層をなす化合物に対して可溶性である溶媒を接触させないようにするが、溶液を用いる場合には、バリア層等を設けて接触しないようにすることが好ましい。
[第1実施例]
以下の手順で、本発明の一実施形態に相当する「縦型の電界効果トランジスタ」を形成した。
先ず、図1(a)に示すように、シリコン基板1の両面に熱酸化法により、厚さ200nmで酸化シリコン(SiO2 )膜2を形成した。次に、一方の酸化シリコン膜2上に、リフトオフ法により一対の電極3A,3Bを形成した。この状態を図1(b)に示す。
リフトオフ法による電極形成の際に、レジストとしては、東京応化製の「OFPR−100」を使用した。電極3A,3B形成用の薄膜としては、チタン薄膜10nmと金薄膜40nmを電子線蒸着法でこの順に形成した。また、レジストパターンの剥離後に、酸素プラズマを2分間照射する「デスカム処理」を行うことにより、レジスト残留物を除去した。
イソビオラントレンは、下記の(1)式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
次に、図1(d)およびその平面図に相当する図2に示すように、一方の電極3Aの上側に金薄膜からなる電極5を形成した。これにより、図1(b)で形成した2つの電極のうちの一方の電極3Aと、イソビオラントレン薄膜4の上に形成された電極5と、イソビオラントレン薄膜4の両電極3A,5の間の部分(チャネル)41と、シリコン基板1とにより、縦型の電界効果トランジスタが構成される。
なお、隣り合う電極3A,3Bをソース・ドレイン電極とし、シリコン基板をゲートとした横型の電界効果トランジスタのキャリア移動度は、9.8×10-5cm2 /V・sであった。
イソビオラントレン薄膜4に代えてベンゾジコロネン薄膜4を形成した以外は前記第1実施例と同じ方法で、図1(d)および図2に示す構造の「縦型の電界効果トランジスタ」を形成した。
ベンゾジコロネン薄膜4の形成は、以下のようにして行った。Dr.Ehrenstorfer社製のベンゾジコロネンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力5×10-8Torr(バックプレッシャー3×10-9Torr)、成膜速度2nm/min、基板温度40℃の条件で、図1(b)の状態のシリコン基板1の電極3A,3Bが形成されている面に、真空蒸着法によりベンゾジコロネン薄膜4を厚さ50nmで形成した。
ベンゾジコロネンは、下記の(2)式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
次に、図1(d)およびその平面図に相当する図2に示すように、一方の電極3Aの上側に金薄膜からなる電極5を形成した。これにより、図1(b)で形成した2つの電極のうちの一方の電極3Aと、ベンゾジコロネン薄膜4の上に形成された電極5と、ベンゾジコロネン薄膜4の両電極3A,5の間の部分(チャネル)41と、シリコン基板1とにより、縦型の電界効果トランジスタが構成される。
なお、隣り合う電極3A,3Bをソース・ドレイン電極とし、シリコン基板をゲートとした横型の電界効果トランジスタのキャリア移動度は、2.9×10-2cm2 /V・sであった。
イソビオラントレン薄膜4に代えてジベンゾコロネン薄膜4を形成した以外は前記第1実施例と同じ方法で、図1(d)および図2に示す構造の「縦型の電界効果トランジスタ」を形成した。
ジベンゾコロネン薄膜4の形成は、以下のようにして行った。Dr.Ehrenstorfer社製のジベンゾコロネンを蒸着物質として用い、雰囲気圧力1×10-8Torr(バックプレッシャー3×10-9Torr)、成膜速度1.8nm/min、基板温度40℃の条件で、図1(b)の状態のシリコン基板1の電極3A,3Bが形成されている面に、真空蒸着法によりジベンゾコロネン薄膜4を厚さ50nmで形成した。
ジベンゾコロネンは、下記の(3)式を構造式とする、平面構造の縮合多環芳香族化合物である。
次に、図1(d)およびその平面図に相当する図2に示すように、一方の電極3Aの上側に金薄膜からなる電極5を形成した。これにより、図1(b)で形成した2つの電極のうちの一方の電極3Aと、ジベンゾコロネン薄膜4の上に形成された電極5と、ジベンゾコロネン薄膜4の両電極3A,5の間の部分(チャネル)41と、シリコン基板1とにより、縦型の電界効果トランジスタが構成される。
これらの結果から、キャリア濃度が一様と仮定した場合、この縦型の電界効果トランジスタのキャリア移動度は0.12cm2 /V・sと推定される。したがって、この実施例の方法でジベンゾコロネン薄膜を形成した場合には、良好な特性の縦型の電界効果トランジスタが得られる。
なお、隣り合う電極3A,3Bをソース・ドレイン電極とし、シリコン基板をゲートとした横型の電界効果トランジスタのキャリア移動度は、0.012cm2 /V・sであった。
2 酸化シリコン膜
3A,3B 電極
4 半導体層
41 チャネル
5 電極
Claims (2)
- 縦型電界効果トランジスタ用として基板面に形成された半導体層であって、
イソビオラントレン、ベンゾジコロネン、またはジベンゾコロネンからなり、分子面が基板面に対して50度以上75度以下の角度で配向された構造を有することを特徴とする縦型電界効果トランジスタ用半導体層。 - 請求項1記載の半導体層を有する縦型電界効果トランジスタ。
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