JP4661065B2 - 相補型有機半導体装置 - Google Patents
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Description
APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.80, 2925-2927 (2002)
しかし、このような相補型トランジスタを有機半導体材料を用いて作製しようとした場合、前述したように不純物ドーピングの手法を用いることができないため、半導体膜として、nチャネル領域用のものとpチャネル領域用のものとを作り分ける必要があり、したがって製造工程が複雑になり、生産性が低下してしまう。
この有機半導体膜によれば、電圧制御層が有機半導体層にアンバイポーラ特性を付与することから、該有機半導体層からなる有機半導体膜がアンバイポーラ特性を有するものとなり、したがって、同一の材料でnチャネル領域とpチャネル領域とを共に形成し得るものとなる。また、電圧制御層を適宜に選択することにより、アンバイポーラ特性の付与に加え、閾値電圧の制御も可能となる。
なお、本発明においてアンバイポーラ特性を付与するとは、後述するように例えば有機半導体層が本来アンバイポーラ特性を有しているものの、通常の使用形態ではこのアンバイポーラ特性を発現しないものの場合に、電圧制御層を設けることでこの有機半導体層が通常の使用形態でアンバイポーラ特性を発現するようにその電圧−電流特性を変化させた場合にも、本発明では電圧制御層が有機半導体層にアンバイポーラ特性を付与したものと規定している。
この有機半導体装置によれば、電圧制御層が有機半導体層にアンバイポーラ特性を付与することから、該有機半導体層がアンバイポーラ特性を有するものとなり、したがって、同一の材料でnチャネル領域もpチャネル領域も共に形成し得るものとなっている。よって、nチャネルMOSトランジスタ(nMOS)にもpチャネルMOSトランジスタ(pMOS)にも、そのチャネル領域形成用の半導体材料を変えることなく同じ材料を用いることで、適用が可能となっている。さらに、相補型トランジスタ(CMOS)についても、チャネル領域ごとに半導体材料を変えることなく、同じ材料を用いることで形成することが可能になる。また、電圧制御層を適宜に選択することにより、閾値電圧の制御も可能となる。
このようにすれば、電圧制御層が超薄膜となることにより、トランジスタの構造設計や製造プロセスにおいて、電圧制御層が無い場合とほぼ同じ状態で取り扱うことができ、したがって電圧制御層を設けることによる新たな制約がほとんど発生しない。また、極少量の材料で電圧制御層を形成することができるため、経済的にも有利になる。
このようにすれば、化学的に吸着することで、超薄膜でも緻密で強固な膜が形成され、非常に効果的に機能するものとなる。
シラン化合物は、ゲート絶縁膜として好適に用いられるSiO2やAl2O3等の酸化物表面に、または、簡単な親水化処理により親水化された表面に容易に化学吸着して、緻密で強固な超薄膜(単分子膜)を形成することから、前記電圧制御層として特に好適となる。なお、親水化処理とは、例えば表面に水酸基(−OH)を形成する処理のことである。
このシラン化合物からなる電圧制御層は、閾値電圧をプラス側にシフトさせるのにも効果的なものとなる。
このようにすれば、電圧制御層が有機半導体層にアンバイポーラ特性を付与することから、該有機半導体層がアンバイポーラ特性を有するものとなり、したがってこの有機薄膜トランジスタが、同一の材料でnチャネル領域もpチャネル領域も共に形成し得るものとなる。よって、この有機薄膜トランジスタはn型にもp型にも適用可能なものとなる。
このようにすれば、電圧制御層が有機半導体層にアンバイポーラ特性を付与することから、該有機半導体層がアンバイポーラ特性を有するものとなり、したがってチャネル領域ごとに半導体材料を変えることなく、同じ材料を用いてこの相補型トランジスタ(CMOS)における半導体層の形成が可能となる。
[有機薄膜トランジスタ]
図1は、本発明の有機半導体装置を有機薄膜トランジスタに適用した場合の一実施形態を示す図であり、図1中符号1は有機薄膜トランジスタである。この有機薄膜トランジスタ1は、基板10上にゲート電極12、ゲート絶縁膜14をこの順に形成し、さらにゲート絶縁膜14上にソース電極16、ドレイン電極18をそれぞれ形成するとともに、これらソース電極16とドレイン電極18との間に、有機半導体膜21を形成したものである。有機半導体膜21は、本発明における有機半導体膜の一実施形態となるもので、有機半導体層20と、該有機半導体層20にアンバイポーラ特性を付与する電圧制御層22とからなっており、ゲート絶縁膜14上に電圧制御層22、有機半導体層20の順に形成されたものである。
まず、基板10として、例えばホウ素(B)、リン(P)、アンチモン(Sb)等を不純物として添加したp型またはn型の単結晶シリコン基板、あるいはガラス基板や石英基板、さらにはポリメチルメタクリレートやポリエーテルスルフォン、ポリカーボネート等のプラスチィック基板を用意する。
続いて、基板10(ゲート電極12)上にゲート絶縁膜14を、厚さ100〜800nm程度に形成する。このゲート絶縁膜14の形成方法としては、特に限定されることなく、例えば熱酸化法によって基板表面を酸化し、二酸化シリコン(SiO2)を形成してこれをゲート絶縁膜14としてもよく、また、スパッタリング法や化学的気相成長法(CVD法)等の真空成膜法により、SiO2やAl2O3等の絶縁性の膜を形成してこれをゲート絶縁膜14としてもよい。
(a)CF3(CH2)9Si(OC2H5)3
(b)CH3(CH2)7Si(OC2H5)3
このようなシラン化合物は、有機半導体層20に対してアンバイポーラ特性を付与するのに加えて、有機半導体層20の閾値電圧特性を制御する作用も奏する。
なお、電圧制御層22を形成する前に、少なくともその下地(ここでは、ゲート絶縁膜14)となる表面を親水化処理し、電圧制御層22を形成する材料が下地表面に容易に化学的に吸着するようにしてもよい。親水化処理方法としては、例えば波長150〜200nmの真空紫外光や、酸素(O2)プラズマを利用する方法が採用可能である。
また、電圧制御層22を形成した後、エタノールや2−プロパノール等のアルコール類、または超純水などを用いてリンスを行うことにより、不要な吸着物を除去するようにしてもよい。
また、このような有機薄膜トランジスタ1に用いられる有機半導体膜21にあっても、これがnチャネル領域にもpチャネル領域にもなることから、これを用いた半導体素子の生産性を向上し得るものとなる。
有機半導体膜21のアンバイポーラ特性について、有機半導体層20として(Dy@C82)を用いた例に基づいて説明する。
まず、図1に示した有機薄膜トランジスタ1を以下のようにして構成し、実施例品とした。
(a)CF3(CH2)9Si(OC2H5)3
(b)CH3(CH2)7Si(OC2H5)3
また、比較のため、電圧制御層22を形成せず、ゲート絶縁膜14上に直接(Dy@C82)を成膜し、パターニングして有機半導体層20を形成した有機薄膜トランジスタも用意した。
そのため、例えばn型FETを例にすると、このn型FETにおけるID−VD特性より、VG=0Vを基準に、VG>0なら図4(A)に示すようにIDの増幅が起こる。
このような現象が起こる原因は、電圧制御層22のどのような作用によるかは不明ではあるものの、電圧制御層22と(Dy@C82)とからなる有機半導体膜21の小さなギャップが原因で、ホール伝導が起きるものと考えられる。
また、これら二種類の実施例品について、VD>0VとVD<0Vの場合のドレイン電流(ID)とドレイン電圧(VD)の関係を図4及び図5にそれぞれ示す。図4(a)及び図5(a)から、VGが0Vから大きくなるに従ってIDが増幅し、これら二種類の実施例品は、n型としての特性を有していることがわかる。また、図4(b)及び図5(b)から、VGが−110Vから小さく(負の方向に大きく)なるに従ってIDが増幅し、これら二種類の実施例品は、p型としての特性も有していることがわかる。
まず、図1に示した有機薄膜トランジスタ1を以下のようにして構成し、実施例品とした。
(a)CF3(CH2)9Si(OC2H5)3
(b)CH3(CH2)7Si(OC2H5)3
次に、本発明の有機半導体装置の他の実施形態として、本発明の有機半導体装置を相補型トランジスタ(CMOS)に適用した場合の実施形態を説明する。
図7は、本発明の有機半導体装置としての相補型トランジスタ(CMOS)を示す図であり、図7中符号30は相補型トランジスタである。この相補型トランジスタ30は、基板40上にゲート電極42、ゲート絶縁膜44をこの順に形成し、さらにゲート絶縁膜44上にソース電極46、ドレイン/ソース電極48、ドレイン電極50をそれぞれ形成するとともに、ソース電極46とドレイン/ソース電極48との間に有機半導体層52を形成し、ドレイン/ソース電極48とドレイン電極50の間に有機半導体膜54を形成したものである。ドレイン/ソース電極48は、ソース電極46、有機半導体層52に対してはドレイン電極として作用し、ドレイン電極50、有機半導体膜54に対してはソース電極として作用する。有機半導体膜54は、本発明における有機半導体膜の一実施形態となるもので、有機半導体層52と、該有機半導体層52にアンバイポーラ特性を付与する電圧制御層56とからなっており、ゲート絶縁膜44上に電圧制御層56、有機半導体層52の順に形成されたものである。
また、このような材料からなる有機半導体層52に対し、アンバイポーラ特性を付与する電圧制御層56についても、前述した場合と同様、R1(CH2)mSiR2 nX3−n(mは自然数、nは1または2)の一般式で表されるシラン化合物が好適に用いられる。
このシラン化合物は、有機半導体層52に対してアンバイポーラ特性を付与するのに加えて、有機半導体層52の閾値電圧特性を制御する作用も奏する。
なお、図1に示した有機薄膜トランジスタ1の場合と同様、電圧制御層56を形成する前に少なくともその下地(ここでは、ゲート絶縁膜44)となる表面を親水化処理するのが好ましく、さらに、電圧制御層56の形成後に、リンスを行って不要な吸着物を除去してもよい。
これにより、電圧制御層56を設けない側の有機半導体層52では、n型でエンハンスメント型のFETとなるのに対し、電圧制御層56を設けた側の有機半導体層52(有機半導体膜54)では、アンバイポーラ特性が付与されたことでp型でエンハンスメント型のFETとなる。
したがって、図9に示した方形波(Vmax=40V、Vmin=−40V)を反転することができ、有機物半導体がフラーレンのみ、電圧制御膜として前記(a)で示したシラン化合物を部分的にパターニングすることで、NOT回路を実現することができる。
例えば、本発明の有機半導体装置を有機薄膜トランジスタに適用する場合に、図1に示した構成に代えて、図12に示すように有機半導体層20の上に電圧制御層22を設け、さらにその上にゲート絶縁膜14を介してゲート電極12を設けるようにしてもよい。この場合、図1の構造に比べて基板の自由度が大きいという利点がある。
12、42…ゲート電極、14、44…ゲート絶縁膜、16、46…ソース電極、
18、50…ドレイン電極、20、52…有機半導体層、21、54…有機半導体膜、 22、56…電圧制御層、30…相補型トランジスタ(有機半導体装置)、
48…ドレイン/ソース電極
Claims (4)
- 第1のチャネル領域となる第1の有機半導体層を含み、第1の導電型を有する第1の有機トランジスタと、
第2のチャネル領域となる第2の有機半導体層を含み、アンバイポーラ特性を有する第2の有機トランジスタと、
を含み、
前記第1の有機トランジスタ及び前記第2の有機トランジスタのうち、前記第2の有機トランジスタのみ電圧制御層を含み、前記電圧制御層は前記第2の有機半導体層に接し、
前記第1の有機半導体層及び前記第2の有機半導体層はフラーレン類からなり、同一の材料を用いて形成され、前記電圧制御層はシラン化合物からなることを特徴とする相補型有機半導体装置。 - 前記電圧制御層の厚さは、3nm以下であることを特徴とする請求項1記載の相補型有機半導体装置。
- 前記電圧制御層は、ゲート絶縁膜に化学的に吸着していることを特徴とする請求項1又は2に記載の相補型有機半導体装置。
- 前記シラン化合物は、トリフルオロメチル基を少なくとも一つ有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の相補型有機半導体装置。
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