JP4743968B2 - 半導体ポリマー電界効果トランジスタ - Google Patents
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- H10K85/631—Amine compounds having at least two aryl rest on at least one amine-nitrogen atom, e.g. triphenylamine
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Description
【０００１】
本願は、1999年１月15日出願の米国仮出願番号60/116,112号の利益を請求する。
【０００２】
本発明は、トランジスタの分野に関する。詳細には、本発明は、半導体ポリマーをベースとするトランジスタの分野に関する。
トランジスタは重要な電子デバイスである。金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOS FET）はよく知られている。
【０００３】
電界効果トランジスタは５つの素子を含む。第一の素子は絶縁体層であり、これは電気絶縁体であり、第一の側面と第二の側面を有する。第二の素子はゲートであり、これは電気導体であり、絶縁体層の第一の側面に隣接して配置されている。第三の素子は半導体層であり、これはポリマーを含み、このポリマーのモノマー単位の少なくとも10wt％は9-置換フルオレン単位及び9,9-置換フルオレン単位より選ばれ、この半導体層は第一の側面、第二の側面、第一の末端及び第二の末端を有し、この第二の側面は絶縁層の第二の側面に隣接している。第四の素子はソースであり、これは電気導体であり、半導体層の第一の末端と電気的に接触している。第五の素子はドレーンであり、これは電気導体であり、半導体層の第二の末端と電気的に接触している。ゲートに加えられる負電圧バイアスは半導体層にドレーンにソースをつなげる正孔導電チャンネルを形成する。ゲートに加えられる正バイアスは半導体層に導電チャンネルを形成する。
【０００４】
本発明は、「金属絶縁半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）」に関する。このＭＩＳＦＥＴは絶縁体層に隣接した半導体層を含む。２つの電極（ソース及びドレーン）は半導体層に接続しており、第三の電極（ゲート）は絶縁体層の他の側面に隣接している。半導体層はポリマーを含む。このポリマーのモノマー単位の少なくとも10wt％は9-置換フルオレン単位及び9,9-置換フルオレン単位より選ばれる。ｐタイプ電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極に負ＤＣ電圧を加えると、半導体層の絶縁体側面付近に「ホール」が蓄積し、導電チャンネルが形成し、ソースとドレーンの間のホールトランスポートによって電流が流れ、ＭＩＳＦＥＴは「オン」状態になる。ゲート電圧を零にすると、蓄積ゾーンにおいてホールが減少し、電流が停止し、ＭＩＳＦＥＴは「オフ」状態になる。ＭＩＳＦＥＴがオンとオフになる速度は「ホール」がソースからドレーンに移動する速度、すなわち「ホール」の移動性によってきまる。一方、ｎタイプ電界効果トランジスタにおいて、正バイアスをゲートに加えると、半導体層に導電性チャンネルが形成する。
【０００５】
図１を参照し、本発明の装置１０の側断面図が示されている。この装置１０は絶縁体層１１を含み、この絶縁体層１１は電気絶縁体であり、第一の側面１２と第二の側面１３を有している。この装置１０はゲート１４を含み、このゲート１４は電気導体であり、絶縁体層１１の第一の側面１２に隣接し、好ましくは接触して配置されている。この装置１０は半導体層１５を含み、この半導体層１５はポリマーを含み、このポリマーのモノマー単位の少なくとも10wt％は9-置換フルオレン単位及び9,9-置換フルオレン単位より選ばれ、この半導体層１５は第一の側面１６、第二の側面１７、第一の末端１８及び第二の末端１９を有し、第二の側面１７は絶縁体層の第二の側面１３と隣接しており、好ましくは接触している。この装置１０はソース２０を含み、このソース２０は電気導体であり、半導体層１５の第一の末端１８と電気的に接触している。この装置１０はドレーン２１を含み、このドレーン２１は電気導体であり、半導体層１５の第二の末端１９と電気的に接触している。この装置１０への電気接続は電気リード線２２、２３及び２４によりゲート１４、ソース２０及びドレーン２１にそれぞれ行われている。この装置１０は構造的ベースとなる所望の基材２５を含んでいる。
【０００６】
図１を参照し、装置１０は以下の工程により製造される。まず、ゲート１４を基材２５上に形成する。基材２５はシリコンウェハー、ガラス、又はプラスチックを含む様々な材料より選ばれる。ゲート１４はあらゆる導電性材料（通常は金属、例えば銀、金もしくはアルミニウムであるが、導電性非金属、例えばインジウム錫オキシドもしくは十分ドーピングされたシリコンであってもよい）より形成される。ゲート１４は、ドーピングされたシリコンに対するイオン注入、金属に対する真空中の加熱蒸発もしくはスパッタリング（好ましくは適当なマスクを通す）を含む標準的な方法によって形成される。又は、アルミニウムディスクのような十分に厚い導電性材料からゲート１４を形成することによって基材２５を排除してもよい。
【０００７】
次いで絶縁体層１１がゲート１４上に形成される。絶縁体層１１用の材料は誘電率が少なくとも３であることが好ましく、ポリマー（例えばポリイミド、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスルフェン等）、無機酸化物（例えばＧｅＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＳｎＯ、ＳｎＯ2）、無機フッ化物（例えばＣｓＦ、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＬｉＦ）、及び無機窒化物（例えばＳｉ3Ｎ4）であってよい。絶縁体層１１の厚さは、装置１０の電圧範囲内でゲート１４と半導体層１５の間に電気的絶縁を保つ限りできるだけ薄いことが最も好ましい。
【０００８】
半導体層１５は、例えば標準溶液法により絶縁層上に形成する。半導体層１５はポリマーを含む。このポリマーのモノマー単位の少なくとも10wt％（好ましくは少なくとも20wt％、より好ましくは少なくとも30wt％）は9-置換フルオレン単位及び9,9-置換フルオレン単位より選ばれる。
【０００９】
そのようなポリマーの例は、米国特許第5,708,130号、米国特許第5,777,070号、1997年５月21日出願の米国特許出願番号08/861,469、米国特許出願第5,962,631号、及びWO99/54385に記載されている。
【００１０】
このポリマーは好ましくは、下式の基
【化１】
（上式中、Ｒ1は独立に、Ｃ1-20ヒドロカルビル又は１以上のＳ、Ｎ、Ｏ、ＰもしくはＳｉ原子を含むＣ1-20ヒドロカルビル、Ｃ4-16ヒドロカルビルカルボニルオキシ、Ｃ4-16アリール（トリアルキルシロキシ）であるか、又は２つのＲ1はフルオレン環の９−炭素と共にＣ5-20環構造又はＳ、ＮもしくはＯのヘテロ原子を１以上含むＣ4-20環構造を形成してもよく、
Ｒ2は独立に、Ｃ1-20ヒドロカルビル、Ｃ1-20ヒドロカルビルオキシ、Ｃ1-20チオエーテル、Ｃ1-20ヒドロカルビルカルボニルオキシ又はシアノであり、
ａは独立に、０又は１である）、及び／又は下式の基
【化２】
（上式中、Ｒ2及びａは上記の規定と同じであり、Ｒ3は独立に、Ｃ1-20ヒドロカルビル、又はジ（Ｃ1-20アルキル）アミノ、Ｃ1-20ヒドロカルビルオキシもしくはＣ1-20ヒドロカルビルで置換したＣ1-20ヒドロカルビル、又はトリ（Ｃ1-10アルキル）シロキシである）
を有する。
【００１１】
用いることのできるコモノマー基は以下のものを含む。
【化３】
（上式中、Ｒ3は独立に、カルボキシル、Ｃ1-20アルキル、Ｃ1-20アルコキシ、又は式−ＣＯ2Ｒ4(Ｒ4はＣ1-20アルキルである）の基であり、
ｂは独立に、０〜３の整数である）
【００１２】
そのようなコポリマーの例は、以下のものを含む。
【化４】
【化５】
【００１３】
他のコモノマー基は、スチルベン、トラン、Ｃ6-20単核／多核芳香族炭化水素、及びＣ2-10単核／多核複素環を含む。単核／多核芳香族炭化水素の例は、ベンゼン、ナフタレン、アセナフテン、フェナントレン、アントラセン、フルオランテン、ピレン、ルブレン、及びクリセンを含む。単核／多核複素環の例は、５員複素環、例えばフラン、チオフェン、ピロール、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、イソチアゾール、イミダゾール、オキサジアゾール、チアジアゾール、及びピラゾール、６員複素環、例えばピリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、トリアジン、及びテトラゼン、ベンゾ縮合環、例えばベンズオキサゾール、ベンゾチアゾール、キノリン、イソキノリン、シンノリン、キナゾリン、フタラジン、ベンゾチアジアゾール、及びベンゾトリアゾール、並びに多核縮合環、例えばフェナジン、フェナントリジン、アクリジン、カルバゾール、及びジフェニレンオキシドを含む。通常、炭素数が30個以下の縮合化合物が本発明において有用である。これらは所望により、ポリマー組成物のホトルミネセンス特性に悪影響を与えない１以上の置換基で置換していてもよい。置換基の例は、Ｃ1-20ヒドロカルビル基、Ｃ1-20（チオ）アルコキシ基、Ｃ1-20（チオ）アリールオキシ基、シアノ、フルオロ、クロロ、Ｃ1-20アルコキシカルボニル、Ｃ1-20アリールオキシカルボニル、Ｃ1-20カルボニル、及びアルキル（アリール）スルホニル基を含む。アリールカルボニルやニトロのような公知のホトルミネセンス除去剤である置換基は望ましくない。以下の構造(1)〜(8)で示されるような、より複雑な構造の縮合モノマー単位も用いることができる。
【００１４】
【化６】
【００１５】
好ましいフルオレン含有ポリマーは、Van der Auweraerら、Advanced Materials, Vol.6, p.199, 1994に記載されているようなタイムオブフライト(time-of-flight)実験のような標準法により測定される、キャリヤ移動性の高いものである。より好ましいものは、Redeckerら、Applied Physics Letters, Vol.73, p.1565, 1998に記載のポリ(9,9-ジオクチルフルオレン-2,7-ジイル）のような、非分散性キャリヤ移動挙動を有するフルオレン含有ポリマーである。また、上記の'469及び'187米国特許出願に記載されているような、３級芳香族アミンを含むフルオレンコポリマーも好ましい。これらのポリマーは少なくとも１×104cm2/volt-secondのキャリヤ移動性を有する。
【００１６】
半導体層１５はポリマーの混合物を含んでいてもよい。半導体層１５のポリマーは均質であってもよく又は相分離していてもよく、非晶質であっても、結晶質であっても、又は液晶であってもよい。このポリマーは、GrellらのAdvanced Materials, Vol.9, p.798, 1997に記載のような、キャリヤ移動性の高い液晶状態に配列していてもよい。半導体層１５の厚さは問題ではないが、例えば１〜1000nm、好ましくは10〜500nm、最も好ましくは20〜100nmである。
【００１７】
次いでソース２０及びドレーン２１を、例えば真空中での熱蒸発又はスパッタリングによりマスクを通して設ける。ソース２０及びドレーン２１の好ましい材料は金、銀、又はアルミニウムである。ゲートに負バイアスを加えると、絶縁体１１との界面もしくはその付近において半導体層１５中に導電チャンネルが形成する。ドレーン２１がソース２０に対して陰性である場合、ソース２０からドレーン２１に電流が流れる。本発明のＭＩＳＦＥＴは高いオンオフ比及び電界効果を特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施態様の側断面図である。
本願は、1999年１月15日出願の米国仮出願番号60/116,112号の利益を請求する。
【０００２】
本発明は、トランジスタの分野に関する。詳細には、本発明は、半導体ポリマーをベースとするトランジスタの分野に関する。
トランジスタは重要な電子デバイスである。金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOS FET）はよく知られている。
【０００３】
電界効果トランジスタは５つの素子を含む。第一の素子は絶縁体層であり、これは電気絶縁体であり、第一の側面と第二の側面を有する。第二の素子はゲートであり、これは電気導体であり、絶縁体層の第一の側面に隣接して配置されている。第三の素子は半導体層であり、これはポリマーを含み、このポリマーのモノマー単位の少なくとも10wt％は9-置換フルオレン単位及び9,9-置換フルオレン単位より選ばれ、この半導体層は第一の側面、第二の側面、第一の末端及び第二の末端を有し、この第二の側面は絶縁層の第二の側面に隣接している。第四の素子はソースであり、これは電気導体であり、半導体層の第一の末端と電気的に接触している。第五の素子はドレーンであり、これは電気導体であり、半導体層の第二の末端と電気的に接触している。ゲートに加えられる負電圧バイアスは半導体層にドレーンにソースをつなげる正孔導電チャンネルを形成する。ゲートに加えられる正バイアスは半導体層に導電チャンネルを形成する。
【０００４】
本発明は、「金属絶縁半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）」に関する。このＭＩＳＦＥＴは絶縁体層に隣接した半導体層を含む。２つの電極（ソース及びドレーン）は半導体層に接続しており、第三の電極（ゲート）は絶縁体層の他の側面に隣接している。半導体層はポリマーを含む。このポリマーのモノマー単位の少なくとも10wt％は9-置換フルオレン単位及び9,9-置換フルオレン単位より選ばれる。ｐタイプ電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極に負ＤＣ電圧を加えると、半導体層の絶縁体側面付近に「ホール」が蓄積し、導電チャンネルが形成し、ソースとドレーンの間のホールトランスポートによって電流が流れ、ＭＩＳＦＥＴは「オン」状態になる。ゲート電圧を零にすると、蓄積ゾーンにおいてホールが減少し、電流が停止し、ＭＩＳＦＥＴは「オフ」状態になる。ＭＩＳＦＥＴがオンとオフになる速度は「ホール」がソースからドレーンに移動する速度、すなわち「ホール」の移動性によってきまる。一方、ｎタイプ電界効果トランジスタにおいて、正バイアスをゲートに加えると、半導体層に導電性チャンネルが形成する。
【０００５】
図１を参照し、本発明の装置１０の側断面図が示されている。この装置１０は絶縁体層１１を含み、この絶縁体層１１は電気絶縁体であり、第一の側面１２と第二の側面１３を有している。この装置１０はゲート１４を含み、このゲート１４は電気導体であり、絶縁体層１１の第一の側面１２に隣接し、好ましくは接触して配置されている。この装置１０は半導体層１５を含み、この半導体層１５はポリマーを含み、このポリマーのモノマー単位の少なくとも10wt％は9-置換フルオレン単位及び9,9-置換フルオレン単位より選ばれ、この半導体層１５は第一の側面１６、第二の側面１７、第一の末端１８及び第二の末端１９を有し、第二の側面１７は絶縁体層の第二の側面１３と隣接しており、好ましくは接触している。この装置１０はソース２０を含み、このソース２０は電気導体であり、半導体層１５の第一の末端１８と電気的に接触している。この装置１０はドレーン２１を含み、このドレーン２１は電気導体であり、半導体層１５の第二の末端１９と電気的に接触している。この装置１０への電気接続は電気リード線２２、２３及び２４によりゲート１４、ソース２０及びドレーン２１にそれぞれ行われている。この装置１０は構造的ベースとなる所望の基材２５を含んでいる。
【０００６】
図１を参照し、装置１０は以下の工程により製造される。まず、ゲート１４を基材２５上に形成する。基材２５はシリコンウェハー、ガラス、又はプラスチックを含む様々な材料より選ばれる。ゲート１４はあらゆる導電性材料（通常は金属、例えば銀、金もしくはアルミニウムであるが、導電性非金属、例えばインジウム錫オキシドもしくは十分ドーピングされたシリコンであってもよい）より形成される。ゲート１４は、ドーピングされたシリコンに対するイオン注入、金属に対する真空中の加熱蒸発もしくはスパッタリング（好ましくは適当なマスクを通す）を含む標準的な方法によって形成される。又は、アルミニウムディスクのような十分に厚い導電性材料からゲート１４を形成することによって基材２５を排除してもよい。
【０００７】
次いで絶縁体層１１がゲート１４上に形成される。絶縁体層１１用の材料は誘電率が少なくとも３であることが好ましく、ポリマー（例えばポリイミド、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスルフェン等）、無機酸化物（例えばＧｅＯ、ＣａＯ、ＳｉＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＳｎＯ、ＳｎＯ2）、無機フッ化物（例えばＣｓＦ、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＬｉＦ）、及び無機窒化物（例えばＳｉ3Ｎ4）であってよい。絶縁体層１１の厚さは、装置１０の電圧範囲内でゲート１４と半導体層１５の間に電気的絶縁を保つ限りできるだけ薄いことが最も好ましい。
【０００８】
半導体層１５は、例えば標準溶液法により絶縁層上に形成する。半導体層１５はポリマーを含む。このポリマーのモノマー単位の少なくとも10wt％（好ましくは少なくとも20wt％、より好ましくは少なくとも30wt％）は9-置換フルオレン単位及び9,9-置換フルオレン単位より選ばれる。
【０００９】
そのようなポリマーの例は、米国特許第5,708,130号、米国特許第5,777,070号、1997年５月21日出願の米国特許出願番号08/861,469、米国特許出願第5,962,631号、及びWO99/54385に記載されている。
【００１０】
このポリマーは好ましくは、下式の基
【化１】
Ｒ2は独立に、Ｃ1-20ヒドロカルビル、Ｃ1-20ヒドロカルビルオキシ、Ｃ1-20チオエーテル、Ｃ1-20ヒドロカルビルカルボニルオキシ又はシアノであり、
ａは独立に、０又は１である）、及び／又は下式の基
【化２】
を有する。
【００１１】
用いることのできるコモノマー基は以下のものを含む。
【化３】
ｂは独立に、０〜３の整数である）
【００１２】
そのようなコポリマーの例は、以下のものを含む。
【化４】
他のコモノマー基は、スチルベン、トラン、Ｃ6-20単核／多核芳香族炭化水素、及びＣ2-10単核／多核複素環を含む。単核／多核芳香族炭化水素の例は、ベンゼン、ナフタレン、アセナフテン、フェナントレン、アントラセン、フルオランテン、ピレン、ルブレン、及びクリセンを含む。単核／多核複素環の例は、５員複素環、例えばフラン、チオフェン、ピロール、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、イソチアゾール、イミダゾール、オキサジアゾール、チアジアゾール、及びピラゾール、６員複素環、例えばピリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、トリアジン、及びテトラゼン、ベンゾ縮合環、例えばベンズオキサゾール、ベンゾチアゾール、キノリン、イソキノリン、シンノリン、キナゾリン、フタラジン、ベンゾチアジアゾール、及びベンゾトリアゾール、並びに多核縮合環、例えばフェナジン、フェナントリジン、アクリジン、カルバゾール、及びジフェニレンオキシドを含む。通常、炭素数が30個以下の縮合化合物が本発明において有用である。これらは所望により、ポリマー組成物のホトルミネセンス特性に悪影響を与えない１以上の置換基で置換していてもよい。置換基の例は、Ｃ1-20ヒドロカルビル基、Ｃ1-20（チオ）アルコキシ基、Ｃ1-20（チオ）アリールオキシ基、シアノ、フルオロ、クロロ、Ｃ1-20アルコキシカルボニル、Ｃ1-20アリールオキシカルボニル、Ｃ1-20カルボニル、及びアルキル（アリール）スルホニル基を含む。アリールカルボニルやニトロのような公知のホトルミネセンス除去剤である置換基は望ましくない。以下の構造(1)〜(8)で示されるような、より複雑な構造の縮合モノマー単位も用いることができる。
【００１４】
【化６】
好ましいフルオレン含有ポリマーは、Van der Auweraerら、Advanced Materials, Vol.6, p.199, 1994に記載されているようなタイムオブフライト(time-of-flight)実験のような標準法により測定される、キャリヤ移動性の高いものである。より好ましいものは、Redeckerら、Applied Physics Letters, Vol.73, p.1565, 1998に記載のポリ(9,9-ジオクチルフルオレン-2,7-ジイル）のような、非分散性キャリヤ移動挙動を有するフルオレン含有ポリマーである。また、上記の'469及び'187米国特許出願に記載されているような、３級芳香族アミンを含むフルオレンコポリマーも好ましい。これらのポリマーは少なくとも１×104cm2/volt-secondのキャリヤ移動性を有する。
【００１６】
半導体層１５はポリマーの混合物を含んでいてもよい。半導体層１５のポリマーは均質であってもよく又は相分離していてもよく、非晶質であっても、結晶質であっても、又は液晶であってもよい。このポリマーは、GrellらのAdvanced Materials, Vol.9, p.798, 1997に記載のような、キャリヤ移動性の高い液晶状態に配列していてもよい。半導体層１５の厚さは問題ではないが、例えば１〜1000nm、好ましくは10〜500nm、最も好ましくは20〜100nmである。
【００１７】
次いでソース２０及びドレーン２１を、例えば真空中での熱蒸発又はスパッタリングによりマスクを通して設ける。ソース２０及びドレーン２１の好ましい材料は金、銀、又はアルミニウムである。ゲートに負バイアスを加えると、絶縁体１１との界面もしくはその付近において半導体層１５中に導電チャンネルが形成する。ドレーン２１がソース２０に対して陰性である場合、ソース２０からドレーン２１に電流が流れる。本発明のＭＩＳＦＥＴは高いオンオフ比及び電界効果を特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施態様の側断面図である。
Claims (5)
- (a)絶縁体層、この絶縁層は電気絶縁体であり、第一の側面と第二の側面を有している、
(b)ゲート、このゲートは電気導体であり、絶縁体層の第一の側面に隣接して配置されている、
(c)半導体層、この半導体層はポリマーを含み、このポリマーのモノマー単位の少なくとも10wt％は9-置換フルオレノ単位及び9,9-置換フルオレノ単位より選ばれ、該ポリマーはさらに以下の式(II)、(III)及び(IV)から選ばれるアミン単位を含み、この半導体層は第一の側面、第二の側面、第一の末端及び第二の末端を有し、この半導体層の第二の側面は絶縁体層の第二の側面と隣接している、
(d)ソース、このソースは電気導体であり、半導体層の第一の末端と電気的に接触している、
(e)ドレーン、このドレーンは電気導体であり、半導体の第二の末端と電気的に接触している、
を含む電界効果トランジスタ。
- 前記半導体層がポリマーから本質的になり、このポリマーのモノマー単位の少なくとも10wt％は9-置換フルオレノ単位及び9,9-置換フルオレノ単位より選ばれる、請求項１記載のトランジスタ。
- 前記ポリマーのモノマー単位の少なくとも20wt％が9-置換フルオレノ単位及び9,9-置換フルオレノ単位より選ばれる、請求項１又は２記載のトランジスタ。
- 前記ポリマーのモノマー単位の少なくとも30wt％が9-置換フルオレノ単位及び9,9-置換フルオレノ単位より選ばれる、請求項１又は２記載のトランジスタ。
- 前記半導体層が絶縁体層と直接接触しており、前記ゲートが絶縁体層と直接接触している、請求項１，２，３又は４記載のトランジスタ。
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