JP4811638B2 - 有機半導体装置のしきい値電圧制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、有機半導体装置に関し、特に活性層に有機半導体を用いた薄膜トランジスタのしきい値電圧を制御し、トランジスタを低電圧で駆動するための構造に関する。

有機半導体薄膜からなるトランジスタは、シリコン半導体を用いたトランジスタの安価な代替品として注目されている。特に、著しく製造コストのかかる工程が必要なシリコン半導体装置と比べ、有機半導体薄膜トランジスタは安価に製造することが可能であり、経済性が優先される場合には有用である。また有機半導体薄膜トランジスタのその他の利点として、大面積の電子装置を作ることが容易であること、製造工程に高温プロセスを必要としないことからプラスチック基板上への形成が可能であること、また機械的な折り曲げに対し素子特性を劣化させないなどの特性を持つため、シリコン半導体装置では不可能な、大面積で機械的にフレキシブルな電子装置を製造することが可能である点が挙げられる。
例えばこのような利点を活かして、表示装置、デジタルスチルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、モバイルコンピュータ、記録媒体を備えた携帯型の画像再生装置、ゴーグル型ディスプレイ、ビデオカメラ、携帯電話、シート型圧力センサなどへの用途が有望である。

有機半導体薄膜トランジスタの研究開発は、近年大きく進展し、活性層を構成する有機半導体材料として、分子量１０００以下の種々の低分子系有機材料が提案されている。有機半導体層としてペンタセン薄膜を用いたトラジスタでは、１ｃｍ^２／Ｖｓ以上の高い正孔移動度を示すP型のトランジスタが得られており、実用化に向けた研究開発が進展している。その一方で、ペンタセンを含めこれまで研究されてきた有機半導体薄膜トランジスタの一部では、トランジスタが駆動し始めるしきい値電圧が大きいといった問題を抱えている。

例えば ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ， Ｖｏｌ．９６， ２３０１ （２００４）．では、ペンタセンを半導体活性層として用い、しきい値電圧が−１４Ｖと大きな負の値を持つことが示されている。
上述のような大きなしきい値電圧は、低電圧で駆動することを要求される実用可能なトランジスタにとっては大きな障害であることは明らかである。

次に、これまで報告されている有機半導体薄膜トランジスタのしきい値電圧制御法としては、ゲート絶縁膜と有機半導体薄膜との間にしきい値電圧制御膜を設ける方法があり、特開２００５−３２７７４号公報によって開示されている。しかしこの方法においては、しきい値電圧を様々に変化させるためには、しきい値電圧制御膜を形成する材料を変更する必要がある。またしきい値電圧の変化量はしきい値電圧制御膜を形成する材料によって特定の値に決まってしまうため、しきい値電圧を所定の値に設定するのは容易ではない。

有機半導体薄膜トランジスタにおけるしきい値電圧の出現、形成の機構は、例えば ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ， Ｖｏｌ．７０， ４６９ （１９９１）．によれば、有機半導体薄膜内もしくは有機半導体薄膜−ゲート絶縁体界面に存在するキャリアトラップサイトが有機半導体薄膜内のキャリアを局在化させてしまうことに起因していると考えれば説明できると報告されている。この解釈に従えば、有機半導体薄膜中のキャリア濃度とキャリアトラップ濃度の比を制御することで、しきい値電圧を制御することができると考えられるが、キャリアトラップサイトが生じる原因が不明確であるため、キャリアトラップの濃度を制御した有機半導体薄膜を作製することは困難である。

また特開２００３−２８２８８３号公報では、多結晶状態で形成される有機半導体層によって構成される有機半導体薄膜トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜の対極側に有機半導体層とは逆極性であり、且つアモルファス状態で付着させることができる有機半導体薄膜（有機化合物層）を形成することで、有機半導体層の多結晶粒界部を埋め、結晶粒界におけるエネルギー障壁を軽減すると共に、キャリアトラップを軽減させ、有機半導体層の移動度を向上させる素子構造とその製造方法が開示されている。その素子構造は、本発明に係る有機半導体薄膜トランジスタの構造とほぼ同様であるが、有機化合物層として用いることのできる材料はアモルファス性の高い材料に限られる。そのうえ有機半導体薄膜トランジスタのしきい値電圧を任意に設定する技術及び素子構造としては用いることができない。
特開２００３−２８２８８３号公報 特開２００５−３２７７４号公報 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ， Ｖｏｌ．７０， ４６９ （１９９１）． ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ， Ｖｏｌ．９６， ２３０１ （２００４）．

上記の現状に鑑み、本発明は、しきい値電圧を容易に所定の値に設定することを可能にし、低電圧で駆動する有機半導体薄膜トランジスタの容易な設計と製造を可能にする有機半導体薄膜トランジスタの構造を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、有機半導体薄膜トランジスタの活性層を構成し、電界効果移動度を有する有機半導体層と、有機半導体層に接するように形成されたソース、ドレイン電極と、ソース・ドレイン電極間の該有機半導体層に重ねて形成され、有機半導体層との間において電荷移動界面を形成するしきい値電圧制御用有機半導体層を備えた有機半導体装置のしきい値電圧制御方法であって、
上記しきい値電圧制御用有機半導体層と有機半導体層との間において形成される電荷移動界面の形成面積を変えることによって、しきい値電圧を制御するようにしたことを特徴とする有機半導体装置のしきい値電圧制御方法を提供するものである。

本発明に係る有機半導体薄膜トランジスタにおいては、上記しきい値電圧制御用有機半導体層をチャネル表面全体もしくは局所的に形成した場合において、有機半導体薄膜層と上記しきい値電圧制御用有機半導体層の材料を適切に選択することによって両者間のイオン化ポテンシャルの差の符号と絶対値を制御し、両者間に形成される電荷移動界面からチャネルに供給されるキャリアの符号（電子かホールか）とその量を任意に設定し、有機半導体層内のキャリア濃度とキャリアトラップ濃度の比を適切な値に設定することが可能であるため、ソース−ドレイン電極方向の電気伝導度としきい値電圧の値を任意に設計した有機半導体薄膜トランジスタの作製が可能となり、低電圧で駆動する有機半導体薄膜トランジスタ作製も可能となる。

本発明の実施の形態について以下図面を参照して詳細に説明する。
ここでは、研究が盛んに行われているペンタセン有機半導体薄膜トランジスタに関する実施例について説明する。

本実施例で有機半導体層として用いたペンタセンは、市販のものを真空昇華法によって精製した。しきい値電圧制御用有機半導体層を形成するためにチャネルの表面上に積層する分子材料は、市販のものを真空昇華によって精製したテトラフルオロテトラシアノキノジメタン(Ｆ_４ＴＣＮＱ)であり、ペンタセンに対して強い電子受容性を持つ。

図１に示す有機半導体薄膜トランジスタを、上記のプロセスによって調製した有機半導体分子材料を用いて製造した。Ｎ型にドープされたシリコン基板をゲート電極５０として用い、シリコン基板の表面を酸化することによって作られた厚さ５００ｎｍの絶縁性の酸化膜をゲート絶縁膜４０として用いた。その上面にペンタセン薄膜を有機半導体層３０として、真空蒸着法により形成した。この際、基板温度を一定温度（８２℃）に保ち、かつ０．５Å／ｓの速度で蒸着を行うことにより十分に粒界間の導電性がよくなるように注意を払った。ソース電極１０及びドレイン電極２０は、３０ｎｍの厚さをもつ金薄膜を抵抗加熱真空蒸着することによって形成した。この有機半導体薄膜トランジスタのチャネルの幅と長さは１ｍｍであった。

図２及び図３の薄膜トランジスタの製造の際には、ペンタセン有機半導体層３０の上に、しきい値電圧制御用有機半導体層７０としてテトラフルオロテトラシアノキノジメタン（Ｆ_４ＴＣＮＱ）薄膜層を、蒸着する範囲をシャドウマスクによって画定しながら厚さ約３０ｎｍ
になるように真空蒸着法によって積層した。次にソース、及びドレイン電極から外部への電気的な接触は導電性ペーストで金線を繋ぐ事によって得た。直流の電界効果特性は、内部を真空に保持したクライオスタット中にサンプルを封入し、常温でアジレントテクノロジー社半導体評価解析装置Ｅ５２７０Ａを用いて評価した。

上記のペンタセン有機半導体薄膜トランジスタで、Ｆ_４ＴＣＮＱ薄膜層の面積とペンタセンチャネルの面積の比（％）：Ｒ＝（Ｆ_４ＴＣＮＱ薄膜層の面積）／（ペンタセンチャネルの面積）×１００の値が、０％、５０％、７０％、９０％、１００％を有する有機半導薄膜トランジスタについて、ドレイン電圧を−１Ｖに固定してドレイン電流のゲート電圧依存性を測定した結果を図５に示す。

電界効果トランジスタのドレイン電流Ｉ_Ｄは線形領域において、ゲート絶縁層の絶縁容量をＣ_ｉ、チャネル長とチャネル幅をそれぞれＬとＷ、ゲート電圧をＶ_Ｇ、ドレイン電圧をＶ_Ｄ、移動度をμ、しきい値電圧をＶ_Ｔとして、方程式：Ｉ_Ｄ＝ (Ｗ/Ｌ) μＣ_ｉ(Ｖ_Ｇ−Ｖ_Ｔ−Ｖ_Ｄ／２) Ｖ_Ｄで一般に表現される。この方程式から全ての有機半導体薄膜トランジスタの移動度としきい値電圧を見積もったところ移動度は全素子において１．０
ｃｍ^２／Ｖｓとなり、 Ｆ_４ＴＣＮＱ薄膜層の形成及びその面積に影響されていない。

一方でしきい値電圧Ｖ_T はＲの値に対して系統的に変化している。 Ｒの値を様々に変えた有機半導体薄膜トランジスタのしきい値電圧を図６に示したが、Ｆ_４ＴＣＮＱ薄膜層を有しないＲが０％の有機半導体薄膜トランジスタではしきい値電圧が−４０Ｖと負の大きな値を持つのに対して、Ｒが７０％の有機半導体薄膜トランジスタにおいてしきい値電圧がほぼゼロになっており、駆動に必要なゲート電圧の大きさは４０Ｖ減少している。

なお、図５の結果から、素子構造が図２に示す素子構造であっても、図３に示す素子構造であっても、しきい値電圧制御用有機半導体層であるＦ_４ＴＣＮＱ薄膜の形成面積が同じであれば、しきい値電圧はほぼ同じであり、素子製作の際にしきい値電圧制御用有機半導体層の形成する位置を厳密に制御する必要がないことがわかる。

図７は、ドレイン電圧が−１Ｖでかつ素子にゲート電圧を印加していないときのドレイン電流の絶対値をＲの値に対して対数でプロットとした結果であるが、この結果からペンタセン半導体層の電気伝導度がＲの値によって系統的に制御できることもわかる。

本実施例では、図１に示す構造のペンタセン有機半導体薄膜トランジスタがＰ型のトランジスタ動作を示し、大きな負のしきい値電圧を有するため、チャネルの表面上に積層する分子材料として強い電子受容性の分子であり、ペンタセンに対して大きなイオン化ポテンシャルの差（３ｅＶ)を持ち、ペンタセン有機半導体層との間で電荷移動層を形成可能であると考えられるテトラフルオロテトラシアノキノジメタン(Ｆ_４ＴＣＮＱ)を選択したが、本発明に係るトランジスタの有機半導体層としきい値電圧制御用有機半導体層の材料、及びその組み合わせはこれに限定されるものではない。

すなわち、本発明における有機半導体薄膜トランジスタの有機半導体層は、弱い電子供与性分子に限定されるものではなく、電界効果移動度を有していればその種類を問わない。また本発明におけるしきい値電圧制御用有機半導体層として用いる有機材料は、強い電子受容性分子に限定されるものではなく、有機半導体層との間において電荷移動界面を形成することが可能であればその種類を問わず、しきい値電圧の制御に適当な材料を選択すればよい。

つまり、しきい値電圧がゼロである低電圧駆動する有機半導体薄膜トランジスタを創製するためには、例えば図１に示す構造の有機半導体薄膜トランジスタがＰ型のトランジスタ動作を示し、そのしきい値電圧が正の値を示す場合は、しきい値電圧制御用有機半導体層として有機半導体層よりも電子供与性の強い材料を用いてチャネルに電子を供給し、その供給量をしきい値電圧制御用有機半導体層の形成面積を制御することで最適化すればよい。

また図１に示す構造の有機半導体薄膜トランジスタがＰ型のトランジスタ動作を示し、そのしきい値電圧が負の値を示す場合は、しきい値電圧制御用有機半導体層として有機半導体層よりも電子受容性の強い材料を用いてチャネルに正孔を供給し、その供給量をしきい値電圧制御用有機半導体層の形成面積を制御することで最適化すればよい。

一方図１に示す構造の有機半導体薄膜トランジスタがＮ型のトランジスタ動作を示し、そのしきい値電圧が正の値を示す場合は、しきい値電圧制御用有機半導体層として有機半導体層よりも電子供与性の強い材料を用いてチャネルに電子を供給し、その供給量をしきい値電圧制御用有機半導体層の形成面積を制御することで最適化すればよい。

また図１に示す構造の有機半導体薄膜トランジスタがＮ型のトランジスタ動作を示し、そのしきい値電圧が負の値を示す場合は、しきい値電圧制御用有機半導体層として有機半導体層よりも電子受容性の強い材料を用いてチャネルから電子を奪い、その量をしきい値電圧制御用有機半導体層の形成面積を制御することで最適化すればよい。

本発明に係る有機半導体薄膜トランジスタ構造によって、低しきい値電圧化がされた素子は、低電力で駆動できるため、省電力化が進むエレクトロニクス分野における小型・大型画面表示（ディスプレー）装置のためのスイッチングデバイス、あるいはその駆動回路に用いられる相補型論理演算回路用の有機半導体薄膜電界効果トランジスタを製造、動作させる上で極めて有用である。またこのような有機半導体薄膜トランジスタを用いた表示装置、デジタルスチルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、モバイルコンピュータ、記録媒体を備えた携帯型の画像再生装置、ゴーグル型ディスプレイ、ビデオカメラ、携帯電話、シート型圧力センサなどへの用途が有望である。

有機半導体薄膜トランジスタの断面模式図である。 しきい値電圧制御用有機半導体層を有する有機半導体薄膜トランジスタの断面模式図である。 しきい値電圧制御用有機半導体層を有する他の有機半導体薄膜トランジスタの断面模式図である。 図２に示すしきい値電圧制御用有機半導体層を有する有機半導体薄膜トランジスタの上面模式図である。 Ｒの値をさまざまに変化させた有機半導体薄膜トランジスタのドレイン電流−ゲート電圧特性の測定結果である。 Ｒの値を様々に変えた有機半導体薄膜トランジスタのしきい値電圧を示した図である。 Ｒの値を様々に変えた有機半導体薄膜トランジスタのゲート電圧無印加時のドレイン電流の絶対値の測定結果である。

符号の説明

１０、２０ ソース、ドレイン電極となる電気的接点
３０ 有機半導体薄膜層
４０ ゲート絶縁膜
５０ ゲート電極
６０ 基板
７０ しきい値電圧制御用有機半導体層
８０ 電荷移動層

Claims (1)

1. 有機半導体薄膜トランジスタの活性層を構成し、電界効果移動度を有する有機半導体層と、有機半導体層に接するように形成されたソース、ドレイン電極と、ソース・ドレイン電極間の該有機半導体層に重ねて形成され、有機半導体層との間において電荷移動界面を形成するしきい値電圧制御用有機半導体層を備えた有機半導体装置のしきい値電圧制御方法であって、
   上記しきい値電圧制御用有機半導体層と有機半導体層との間において形成される電荷移動界面の形成面積を変えることによって、しきい値電圧を制御するようにしたことを特徴とする有機半導体装置のしきい値電圧制御方法。

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