JP4835753B2 - 有機薄膜トランジスタの製造方法及び有機薄膜トランジスタ - Google Patents
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Description
本発明は、有機薄膜トランジスタの製造方法に関する。
近年、従来のシリコンを材料とした薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと記す）素子のデメリットを補う技術として、有機半導体材料を用いた有機ＴＦＴ素子の研究開発が盛んに進められている（特許文献１、非特許文献１等参照）。
有機ＴＦＴ素子は低温プロセスで製造可能であるため、軽く、割れにくい樹脂基板を用いることができ、さらに、樹脂フィルムを支持体として用いたフレキシブルなディスプレイが実現できると言われている（非特許文献２等参照）。また、大気圧下で、印刷や塗布などのウェットプロセスで製造できる有機半導体材料を用いることで、生産性に優れ、非常に低コストのディスプレイが実現できる。
しかしながら、比較的移動度の高い低分子型の有機半導体材料は溶媒に溶解しにくいため、真空蒸着法などを用いて有機半導体材料を蒸着して成膜していた。また、真空蒸着法では真空下で製造を行うため設備や工程の管理が難しかった。
一方、インクジェット法やスピンコート法などの溶液印刷プロセスの適した溶解性に優れる高分子系有機半導体材料は移動度が低く、長期間の信頼性にも問題がある。
このような問題を改善するため、高移動度の低分子有機半導体材料であるペンタセンの可溶性前駆体薄膜を塗布法により形成し、熱処理を加えることによりペンタセンに変換して半導体層を形成した有機ＴＦＴが報告されている（非特許文献３等参照）。
また、テトラベンゾポルフィリン系半導体材料の可溶性前駆体を塗布法により形成し、加熱して結晶性のポルフィリン系半導体に変換して半導体層を形成した有機ＴＦＴが報告されている（特許文献２等参照）。
特開平１０−１９０００１号公報
特開２００３−３０４０１４号公報
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ誌 ２００２年 第２号 ９９頁（レビュー）
ＳＩＤ’０１ Ｄｉｇｅｓｔ ５７頁
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ２００２年 第１２４号 ８８１２頁
しかしながら、非特許文献３、特許文献２に開示されている方法は何れも逆ディースアルダー反応を用いた変換であり、１７０℃以上の高温で処理する必要があるため有機材料から成る他の構成要素を劣化させるおそれがあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、簡単な工程で特性の優れた有機薄膜トランジスタを製造する有機薄膜トランジスタの製造方法を提供することを課題とする。
１．
支持体上にゲート電極、ゲート絶縁層、有機半導体層、ソース電極及びドレイン電極を有する有機薄膜トランジスタの製造方法において、
低分子有機半導体前駆体材料を溶解した溶液を塗布し、有機半導体前駆体層を形成する工程と、
プラズマ状態の放電ガスに前記有機半導体前駆体層を晒すことにより前記有機半導体前駆体を低分子有機半導体に変換し、有機半導体層を形成する工程と、
を有し、
前記放電ガスは、含有するＯ ２ 及びＨ ２ の濃度が１００ｐｐｍ以下のＮ ２ ガスであることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
支持体上にゲート電極、ゲート絶縁層、有機半導体層、ソース電極及びドレイン電極を有する有機薄膜トランジスタの製造方法において、
低分子有機半導体前駆体材料を溶解した溶液を塗布し、有機半導体前駆体層を形成する工程と、
プラズマ状態の放電ガスに前記有機半導体前駆体層を晒すことにより前記有機半導体前駆体を低分子有機半導体に変換し、有機半導体層を形成する工程と、
を有し、
前記放電ガスは、含有するＯ ２ 及びＨ ２ の濃度が１００ｐｐｍ以下のＮ ２ ガスであることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
２．
前記有機半導体層を形成する工程は、
ジェット方式のプラズマ放電処理装置を用いて、該プラズマ放電処理装置から吹き出すプラズマ状態の放電ガスに前記有機半導体前駆体層を晒すことを特徴とする１に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
前記有機半導体層を形成する工程は、
ジェット方式のプラズマ放電処理装置を用いて、該プラズマ放電処理装置から吹き出すプラズマ状態の放電ガスに前記有機半導体前駆体層を晒すことを特徴とする１に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
３．
前記有機半導体層を形成する工程は、
大気圧または大気圧近傍の圧力の下で行うことを特徴とする１または２に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
前記有機半導体層を形成する工程は、
大気圧または大気圧近傍の圧力の下で行うことを特徴とする１または２に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
４．
前記有機半導体層を形成する工程における前記圧力は、２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａであることを特徴とする３に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
前記有機半導体層を形成する工程における前記圧力は、２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａであることを特徴とする３に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
５．
前記有機半導体前駆体は、ポルフィリン系またはポリアセン系であることを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
前記有機半導体前駆体は、ポルフィリン系またはポリアセン系であることを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
６．
前記有機半導体層を形成する工程の後、
ジェット方式のプラズマ放電処理装置から吹き出す放電ガス、無機層原料ガス、反応ガスを混合したプラズマ状態のガスに前記有機半導体層を晒すことにより前記有機半導体層の上に無機層を形成する工程を有することを特徴とする１乃至５の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
前記有機半導体層を形成する工程の後、
ジェット方式のプラズマ放電処理装置から吹き出す放電ガス、無機層原料ガス、反応ガスを混合したプラズマ状態のガスに前記有機半導体層を晒すことにより前記有機半導体層の上に無機層を形成する工程を有することを特徴とする１乃至５の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
７．
前記無機層を形成する工程は、
大気圧または大気圧近傍の圧力の下で行うことを特徴とする６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
前記無機層を形成する工程は、
大気圧または大気圧近傍の圧力の下で行うことを特徴とする６に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
８．
前記無機層を形成する工程における前記圧力は、２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａであることを特徴とする７に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
前記無機層を形成する工程における前記圧力は、２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａであることを特徴とする７に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
９．
１乃至８の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法を用いて製造したことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
１乃至８の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法を用いて製造したことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
本発明によれば、プラズマジェット法を用いて吹き出したプラズマ状態の放電ガスに有機半導体前駆体層を晒すことにより有機半導体層に変換するので、簡単な工程で特性の優れた有機薄膜トランジスタを製造する有機薄膜トランジスタの製造方法を提供できる。
１ 支持体
２ 有機半導体層
３ ソース電極
４ ドレイン電極
５ 無機層
７ ゲート電極
８ ゲート絶縁層
１１ 第１電極
１２ 第２電極
１３ 放電空間
２０ 有機半導体前駆体層
５０ 対向電極
２ 有機半導体層
３ ソース電極
４ ドレイン電極
５ 無機層
７ ゲート電極
８ ゲート絶縁層
１１ 第１電極
１２ 第２電極
１３ 放電空間
２０ 有機半導体前駆体層
５０ 対向電極
以下、実施形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は本発明に係わるトップゲート型ＴＦＴの製造方法の一例を説明する説明図、図２は本発明に係わるジェット方式のプラズマ放電処理装置の一例を説明する説明図である。
本発明に係るトップゲート型有機ＴＦＴの製造方法の一例として、次の工程Ｓ１〜Ｓ４を説明する。
Ｓ１・・・・・有機半導体前駆体層を形成する工程
Ｓ２・・・・・有機半導体層を形成する工程
Ｓ３・・・・・無機層を形成する工程
Ｓ４・・・・・ゲート電極を形成する工程
最初に図１を用いて、支持体１上にソース電極３とドレイン電極４を設け、さらに有機半導体層２、無機層５を形成してゲート電極７を設けたトップゲート型のＴＦＴを形成する場合の製造方法について順を追って説明する。
Ｓ１・・・・・有機半導体前駆体層を形成する工程
Ｓ２・・・・・有機半導体層を形成する工程
Ｓ３・・・・・無機層を形成する工程
Ｓ４・・・・・ゲート電極を形成する工程
最初に図１を用いて、支持体１上にソース電極３とドレイン電極４を設け、さらに有機半導体層２、無機層５を形成してゲート電極７を設けたトップゲート型のＴＦＴを形成する場合の製造方法について順を追って説明する。
図１（１）〜図１（５）は、支持体１上に形成されたＴＦＴのチャネル部の断面図である。
導電性薄膜が形成された支持体１上に感光性レジストを塗布後、ソース電極３とドレイン電極４のパターンを有するフォトマスクを介して露光、現像して、各電極パターンのレジスト層を形成する。
本発明において、支持体１は特に材料を限定されない。例えばガラスやフレキシブルな樹脂製シートを用いることができる。導電性薄膜は、例えば、蒸着やスパッタリング、ＣＶＤ法等の方法を用いて、支持体１上に導電性薄膜としてＡｌ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｇなどの低抵抗金属材料やこれら金属の積層構造、また、金属薄膜の耐熱性向上、支持体１への密着性向上、欠陥防止のために他の材料のドーピングしたものを用いることができる。また、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＳｎＯ、ＺｎＯなどの透明電極を用いることもできる。
次に、支持体１のエッチングを行った後、ソース電極３とドレイン電極４上のレジスト層を除去し、図１（１）のように、ソース電極３とドレイン電極４を形成する。なお、ここまでの工程は、図１には図示していない。また、ここまで説明した工程は一例であり、本発明はこれらの工程に限定されるものではない。
Ｓ１・・・・・有機半導体前駆体層２０を形成する工程
支持体１上に形成されたソース電極３及びドレイン電極４の間に、既知の塗布方法、例えばインクジェット法にて有機半導体前駆体材料をパターン塗布する。
支持体１上に形成されたソース電極３及びドレイン電極４の間に、既知の塗布方法、例えばインクジェット法にて有機半導体前駆体材料をパターン塗布する。
塗布法や印刷法を用いて成膜するためには、有機半導体前駆体が溶媒に溶ける必要がある。可溶性の有機半導体前駆体としては、例えば、テトラベンゾポルフィリン前駆体、ペンタセン前駆体、ポリアセン前駆体などを用いることができる。なかでも、高移動度が得られ長期保存安定性に優れるポルフィリン系のテトラベンゾポルフィリン前駆体、ポリアセン系のペンタセン前駆体を用いることが望ましい。
テトラベンゾポルフィリン前駆体の構造式と変換後のテトラベンゾポルフィリンの構造式を下記に示す。
テトラベンゾポルフィリン前駆体
テトラベンゾポルフィリン
ペンタセン前駆体の構造式と変換後のペンタセンの構造式を下記に示す。
ペンタセン前駆体
ペンタセン
有機半導体前駆体の溶媒は、前駆体に合わせて、トルエン、シクロヘキサン、ｍ−ジクロロベンゼン、テトラリン、クロロホルム、メトキシベンゼン、安息香酸エチルなどの有機溶媒を適宜に用いればよい。
Ｓ２・・・・・有機半導体層２を形成する工程
本工程では、例えばジェット方式のプラズマ放電処理装置１０から吹き出すプラズマ状態の放電ガスに有機半導体前駆体層２０を晒すことにより有機半導体前駆体を有機半導体に変換して有機半導体層２を形成する。なお、本工程はプラズマジェット法に限定されるものではなくダイレクトプラズマ法などを用いることもできるが、プラズマジェット法を用いると有機絶縁膜や電極へのダメージが少なく簡単な工程で有機半導体に変換することができる。
本工程では、例えばジェット方式のプラズマ放電処理装置１０から吹き出すプラズマ状態の放電ガスに有機半導体前駆体層２０を晒すことにより有機半導体前駆体を有機半導体に変換して有機半導体層２を形成する。なお、本工程はプラズマジェット法に限定されるものではなくダイレクトプラズマ法などを用いることもできるが、プラズマジェット法を用いると有機絶縁膜や電極へのダメージが少なく簡単な工程で有機半導体に変換することができる。
以下にこのジェット方式のプラズマ放電処理装置１０について説明する。
図２は、本発明に有用なジェット方式のプラズマ放電処理装置の一例を示した概略図である。
ジェット方式のプラズマ放電処理装置１０は、二つの電源を有する電界印加手段の他に、図２では図示してないが、ガス供給手段、電極温度調節手段を有している。
プラズマ放電処理装置１０は、第１電極１１と第２電極１２から構成される対向電極５０を有している。図中のＬは第１電極１１と第２電極１２の電極高、ｘは電極間隔である。
放電空間１３に、第１電極１１からは第１電源２１からの周波数ω１、電界強度Ｖ１、電流Ｉ１の第１の高周波電界が印加され、また、第２電極１２からは第２電源２２からの周波数ω２、電界強度Ｖ２、電流Ｉ２の第２の高周波電界が印加される。第１電源２１は、第２電源２２より高い高周波電界強度（Ｖ１＞Ｖ２）を印加することができる。また、第１電源２１の第１の周波数ω１は、第２電源２２の第２の周波数ω２より低い周波数を印加することができる。
第１電極１１と第１電源２１との間には、第１フィルター２３が設置されており、第１電源２１から第１電極１１への電流を通過しやすくし、第２電源２２からの電流をアースして、第２電源２２から第１電源２１への電流が通過しにくくなるように設計されている。
また、第２電極１２と第２電源２２との間には、第２フィルター２４が設置されており、第２電源２２から第２電極への電流を通過しやすくし、第１電源２１からの電流をアースして、第１電源２１から第２電源への電流を通過しにくくするように設計されている。
第１電極１１と第２電極１２との放電空間１３に、ガス供給手段からガスＧを導入し、第１電極１１と第２電極１２の間に高周波電界を印加して放電を発生させる。すると、ガスＧはプラズマ状態になり対向電極５０の下側（紙面下側）にジェット状に吹き出して、対向電極５０下面と基材Ｆとで作る処理空間をプラズマ状態のガスＧ°で満たす。
図２には高周波電界強度（印加電界強度）と放電開始電界強度の測定に使用する測定器を示している。２５及び２６は高周波電圧プローブであり、２７及び２８はオシロスコープである。オシロスコープ２７、２８を用いて第１電源２１、第２電源２２の高周波電界強度を調整する。
本工程は、図２に示すジェット方式のプラズマ放電処理装置１０を用いて大気圧または大気圧近傍の圧力の下で行う。大気圧または大気圧近傍の圧力とは２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａの圧力下であり、好ましくは９３ｋＰａ〜１０４ｋＰａ程度である。
図１（２）は、プラズマ放電処理装置１０の対向電極５０から吹き出すプラズマ状態の放電ガスＧ１°に有機半導体前駆体層２０を晒し、有機半導体層２に変換した状態を示している。放電ガスＧ１°は、含有するＯ2及びＨ2の濃度が１００ｐｐｍ以下のＮ2ガスである。
Ｓ３・・・・・無機層５を形成する工程
図１（３）に示すように、ジェット方式のプラズマ放電処理装置１０を用いて大気圧または大気圧近傍の圧力の下で無機層５を形成する。大気圧または大気圧近傍の圧力とは２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａの圧力下であり、好ましくは９３ｋＰａ〜１０４ｋＰａ程度である。
図１（３）に示すように、ジェット方式のプラズマ放電処理装置１０を用いて大気圧または大気圧近傍の圧力の下で無機層５を形成する。大気圧または大気圧近傍の圧力とは２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａの圧力下であり、好ましくは９３ｋＰａ〜１０４ｋＰａ程度である。
図１（３）は、プラズマ放電処理装置１０の対向電極５０から吹き出す放電ガス、無機層原料ガス、反応ガスを混合したプラズマ状態のガスＧ２°に有機半導体層２を晒し、有機半導体層２の上に無機層５を形成している状態を示している。
本実施形態では、無機層５にゲート絶縁層の機能を持たせるため絶縁性薄膜であるＳｉＯ2膜を成膜する例を説明する。ＳｉＯ2膜の材料となる無機層原料ガスとして例えばＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を用い、ＴＥＯＳを放電ガスと同種類のガスでバブリングをして気化させたガスを原料ガスＧ２として用いる。放電ガスは本実施形態ではアルゴンを用いる。また、反応ガスは例えばＯ2を用いる。
なお、原料ガス、放電ガス、反応ガスはこれらに限定されるものではなく、形成する薄膜の種類と条件に応じて選定する。
放電ガスは、例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン等の希ガスを用いることができるが、特に、生産コストを低減させる点からはアルゴンを用いることが好ましい。また、上記の希ガスに代えて、例えば、酸素、窒素、二酸化炭素、水素等を利用することもできるが、コスト及び環境面の点からは窒素を使用することが好ましい。
無機層５を形成するために使用する原料ガスは、例えば、有機金属化合物、ハロゲン金属化合物、金属水素化合物等を用いることができる。取り扱いの点からは、爆発の危険性の少ない有機金属化合物を用いることが好ましく、特に、分子内に少なくとも一つ以上の酸素を有する有機金属化合物が好ましい。
絶縁層を形成するのに使用する原料ガスの有機金属化合物としては、例えば、テトラエチルシラン、テトラメチルシラン、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）、トリメトキシシラン（ＴＭＳ）、トリメチルシラン（４ＭＳ）、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）等を用いることができる。
Ｓ４・・・・・ゲート電極を形成する工程
ゲート電極７を例えば付加的パターニング法を用いて形成する。付加的パターニング法が適用できる材料としては、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（白金）のナノ粒子をバインダー中に分散させた溶液材料などを用いることができる。図１（４）は、無機層５の上にゲート電極７が形成された状態である。
ゲート電極７を例えば付加的パターニング法を用いて形成する。付加的パターニング法が適用できる材料としては、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（白金）のナノ粒子をバインダー中に分散させた溶液材料などを用いることができる。図１（４）は、無機層５の上にゲート電極７が形成された状態である。
トップゲート型ＴＦＴの製造工程の説明は以上である。
次に工程Ｓ２と工程Ｓ３を連続して行う製造方法について説明する。
図３は工程Ｓ２と工程Ｓ３を連続して行う製造方法を説明するための模式図である。ベルト７０はローラ６１によりローラ６０から矢印の方向に一定の速度で巻き取られ、ベルト７０の上に載置された支持体１が搬送されている。
支持体１ａは工程Ｓ１までの工程を終え、その上にマトリクス状に複数のソース電極３、ドレイン電極４、有機半導体前駆体２０が形成された状態を模式的に示している。図中の５０ａは工程Ｓ２の有機半導体層２を形成する工程で用いるプラズマ放電処理装置１０の対向電極であり、プラズマ状態の放電ガスＧ１°を吹き出している。
支持体１ｂは対向電極５０ａから吹き出すプラズマ状態の放電ガスＧ１°によって有機半導体前駆体２０が有機半導体層２に変換された状態を模式的に示している。５０ｂは工程Ｓ３の無機層５を形成する工程で用いるプラズマ放電処理装置１０の対向電極であり、プラズマ状態の原料ガスＧ２°を吹き出している。
支持体１ｃは対向電極５０ｂから吹き出すプラズマ状態の原料ガスＧ２°によって無機層５がその全面に形成された状態を模式的に示している。
このようにジェット方式のプラズマ放電処理装置１０を用いることにより、工程Ｓ２の有機半導体層を形成する工程と工程Ｓ３の無機層を形成する工程を大気圧または大気圧の近傍下で連続して行うことができるので、簡単な設備と工程で有機ＴＦＴを製造することができる。また、ジェット方式のプラズマ放電処理装置１０により支持体１の必要な面だけプラズマガスを吹き付けるので、有機半導体層２や樹脂製の支持体１など他の有機物質に対するダメージが少ない。
なお、図３で説明した有機ＴＦＴの製造方法はトップゲート型ＴＦＴに限定されるものではなくボトムゲート型ＴＦＴにも適用できる。
次に、本発明に係わるボトムゲート型ＴＦＴの製造方法について説明する。
図４は本発明に係わるボトムゲート型ＴＦＴの製造方法の一例を説明する説明図である。
以下に説明する図４に示すボトムゲート型ＴＦＴの製造工程は、図２で説明した各工程の説明とほとんど同じであり、共通する部分は同符号を付し説明を省略する。
図４（１）〜図４（３）は、支持体１上に形成されたＴＦＴのチャネル部の断面図である。
導電性薄膜が形成された支持体１上に感光性レジストを塗布後、ゲート電極７のパターンを有するフォトマスクを介して露光、現像して、各電極パターンのレジスト層を形成する。次に蒸着やプラズマ法などによりゲート電極７を覆うようにゲート絶縁層８を形成し、インクジェット法などによりゲート絶縁膜８上にソース電極３及びドレイン電極４を形成する。
なお、ここまでの工程は、図４には図示していない。また、ここまで説明した工程は一例であり、本発明はこれらの工程に限定されるものではない。
本発明に係るボトムゲート型有機ＴＦＴの製造方法の一例として、次の工程Ｓ１〜Ｓ３を説明する。
Ｓ１・・・・・有機半導体前駆体層を形成する工程
支持体１上に形成されたソース電極３及びドレイン電極４の間に、既知の塗布方法、例えばインクジェット法にて有機半導体前駆体材料をパターン塗布し、図４（１）のように有機半導体前駆体層２０を形成する。
支持体１上に形成されたソース電極３及びドレイン電極４の間に、既知の塗布方法、例えばインクジェット法にて有機半導体前駆体材料をパターン塗布し、図４（１）のように有機半導体前駆体層２０を形成する。
Ｓ２・・・・・有機半導体層を形成する工程
図４（２）のように、プラズマ放電処理装置１０の対向電極５０から吹き出すプラズマ状態の放電ガスＧ１°に有機半導体前駆体層２０を晒し、有機半導体層２に変換する。放電ガスＧ１°は、含有するＯ2及びＨ2の濃度が１００ｐｐｍ以下のＮ2ガスである。
図４（２）のように、プラズマ放電処理装置１０の対向電極５０から吹き出すプラズマ状態の放電ガスＧ１°に有機半導体前駆体層２０を晒し、有機半導体層２に変換する。放電ガスＧ１°は、含有するＯ2及びＨ2の濃度が１００ｐｐｍ以下のＮ2ガスである。
Ｓ３・・・・・無機層を形成する工程
図４（３）に示すように、ジェット方式のプラズマ放電処理装置１０を用いて大気圧または大気圧近傍の圧力の下で無機層５を形成する。大気圧または大気圧近傍の圧力とは２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａの圧力下であり、好ましくは９３ｋＰａ〜１０４ｋＰａ程度である。
図４（３）に示すように、ジェット方式のプラズマ放電処理装置１０を用いて大気圧または大気圧近傍の圧力の下で無機層５を形成する。大気圧または大気圧近傍の圧力とは２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａの圧力下であり、好ましくは９３ｋＰａ〜１０４ｋＰａ程度である。
ボトムゲート型ＴＦＴの製造工程の説明は以上である。
以下、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［実施例１］
本実施例では、支持体１にはＡｌ膜を表面に１３０ｎｍ形成した住友ベークライト製ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）基板を用いた。本実施例は、支持体１上に１０×１０の計１００のトップゲート型ＴＦＴを形成した実施例である。
［実施例１］
本実施例では、支持体１にはＡｌ膜を表面に１３０ｎｍ形成した住友ベークライト製ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）基板を用いた。本実施例は、支持体１上に１０×１０の計１００のトップゲート型ＴＦＴを形成した実施例である。
〔ＴＦＴの作製〕
支持体１に、通常のフォトリソグラフ工程にてパターニング処理を行いソース電極３、ドレイン電極４及びソースバスラインを形成した。
支持体１に、通常のフォトリソグラフ工程にてパターニング処理を行いソース電極３、ドレイン電極４及びソースバスラインを形成した。
以降の工程は、図１で説明したＳ１〜Ｓ４の工程で作製したので、各工程の番号を付して順に説明し、共通する点は説明を省略する。
Ｓ１・・・・・有機半導体前駆体層を形成する工程
Ｓ２・・・・・有機半導体層を形成する工程
Ｓ３・・・・・無機層を形成する工程
Ｓ４・・・・・ゲート電極を形成する工程
Ｓ１・・・・・有機半導体前駆体層を形成する工程
支持体１上に形成されたソース電極３及びドレイン電極４間のチャネルを覆うように、ペンタセン前駆体のクロロホルム溶液をピエゾ方式のインクジェット法を用いて吐出し、窒素ガス中５０℃の雰囲気で３分乾燥し、有機半導体前駆体層２０を形成した。
Ｓ１・・・・・有機半導体前駆体層を形成する工程
Ｓ２・・・・・有機半導体層を形成する工程
Ｓ３・・・・・無機層を形成する工程
Ｓ４・・・・・ゲート電極を形成する工程
Ｓ１・・・・・有機半導体前駆体層を形成する工程
支持体１上に形成されたソース電極３及びドレイン電極４間のチャネルを覆うように、ペンタセン前駆体のクロロホルム溶液をピエゾ方式のインクジェット法を用いて吐出し、窒素ガス中５０℃の雰囲気で３分乾燥し、有機半導体前駆体層２０を形成した。
Ｓ２・・・・・有機半導体層を形成する工程
図３に示すように対向電極５０ａの下面と有機半導体前駆体層２０との間隔が１．０ｍｍになるように配置する。本実施例で用いた対向電極５０ａの電極高Ｌは１３ｍｍ、電極間隔ｘは０．５ｍｍである。第１電源２１、第２電源２２から第１電極１１と第２電極１２の間に周波数１００ｋＨｚにて３０Ｗ／ｃｍ2の出力で高周波電界を与え放電させる。
図３に示すように対向電極５０ａの下面と有機半導体前駆体層２０との間隔が１．０ｍｍになるように配置する。本実施例で用いた対向電極５０ａの電極高Ｌは１３ｍｍ、電極間隔ｘは０．５ｍｍである。第１電源２１、第２電源２２から第１電極１１と第２電極１２の間に周波数１００ｋＨｚにて３０Ｗ／ｃｍ2の出力で高周波電界を与え放電させる。
第１電極１１と第２電極１２の間の放電空間１３に、ガス供給手段から含有するＯ2及びＨ2の濃度が１００ｐｐｍ以下になるように調整されたＮ2ガスを２０ｓｌｍで導入する。すると、対向電極５０ａの支持体１側に向けて、ジェット状にプラズマ状態のＮ2ガスを吹き出す。
９０℃に加熱した支持体１を５０ｍｍ／分の搬送速度で対向電極５０ａの下を搬送すると、ペンタセン前駆体からなる有機半導体前駆体層２０はプラズマ状態のＮ2ガスで満たされた処理空間に晒されてペンタセンに変換し有機半導体層２を形成する。
Ｓ３・・・・・無機層を形成する工程
図３に示すように対向電極５０ｂの下面と有機半導体前駆体層２０との間隔が１．０ｍｍになるように配置する。本実施例で用いた対向電極５０ｂの電極高Ｌは１３ｍｍ、電極間隔ｘは０．５ｍｍである。第１電源２１、第２電源２２から第１電極１１と第２電極１２の間に周波数１００ｋＨｚにて３０Ｗ／ｃｍ2の出力で高周波電界を与え放電させる。
図３に示すように対向電極５０ｂの下面と有機半導体前駆体層２０との間隔が１．０ｍｍになるように配置する。本実施例で用いた対向電極５０ｂの電極高Ｌは１３ｍｍ、電極間隔ｘは０．５ｍｍである。第１電源２１、第２電源２２から第１電極１１と第２電極１２の間に周波数１００ｋＨｚにて３０Ｗ／ｃｍ2の出力で高周波電界を与え放電させる。
ＳｉＯ2膜の原料ガスはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を放電ガスと同種類のガスでバブリングをして気化させたガスを用いた。放電ガスはアルゴン、反応ガスはＯ2を用いた。第１電極１１と第２電極１２の間の放電空間１３に、ガス供給手段から原料ガスは５（Ｌ／ｍｉｎ．）、放電ガスは２０（Ｌ／ｍｉｎ．）、反応ガスは０．１（Ｌ／ｍｉｎ．）のガス流量で導入する。すると、対向電極５０ａの支持体１側にジェット状にプラズマ状態の混合ガスを吹き出す。
９０℃に加熱した支持体１を５０ｍｍ／分の搬送速度で対向電極５０ｂの下を搬送すると、ペンタセン前駆体からなる有機半導体前駆体層２０はプラズマ状態の混合ガスで満たされた処理空間に晒されてＳｉＯ2膜からなる無機層５を形成する。
Ｓ４・・・・・ゲート電極を形成する工程
Ａｇ（銀）のナノ粒子をバインダー中に分散させた溶液材料を、インクジェット法を用いて吐出し、ゲート電極７を形成する。
Ａｇ（銀）のナノ粒子をバインダー中に分散させた溶液材料を、インクジェット法を用いて吐出し、ゲート電極７を形成する。
本実施例では、工程Ｓ４の後、絶縁性薄膜を形成し、塗布型ＩＴＯで画素電極を形成してＴＦＴ素子を完成させる。
［比較例１］
比較例１も、支持体１にはＡｌ膜を表面に１３０ｎｍ形成した住友ベークライト製ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）基板を用い、支持体１上に１０×１０の計１００のトップゲート型ＴＦＴを形成した。
［比較例１］
比較例１も、支持体１にはＡｌ膜を表面に１３０ｎｍ形成した住友ベークライト製ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）基板を用い、支持体１上に１０×１０の計１００のトップゲート型ＴＦＴを形成した。
実施例１との工程の違いは、有機半導体層を形成する工程と無機層を形成する工程であり、異なる点だけ詳しく説明する。
有機半導体層を形成する工程
実施例１と同じ工程Ｓ１で有機半導体前駆体層を形成した支持体１を、オーブンで１７０℃に加熱し、ペンタセン前駆体をペンタセンに変換する。
実施例１と同じ工程Ｓ１で有機半導体前駆体層を形成した支持体１を、オーブンで１７０℃に加熱し、ペンタセン前駆体をペンタセンに変換する。
無機層を形成する工程
ポリイミド系の材料を用いて無機層５をスピンコート法で形成し、無機層５に含まれる溶媒成分を、所定の温度で支持体１を加熱することにより乾燥させる。
ポリイミド系の材料を用いて無機層５をスピンコート法で形成し、無機層５に含まれる溶媒成分を、所定の温度で支持体１を加熱することにより乾燥させる。
以降のゲート電極を形成する工程等は実施例１と同じ条件で行いＴＦＴ素子を完成させる。
〔実験結果〕
実験結果を表１に示す。本実験では支持体１上のＴＦＴ素子１００個のうち、２４個のＴＦＴ素子をランダムに選び、それぞれについて性能を評価し平均値を算出した。評価項目は、移動度とＯＮ／ＯＦＦ電流比（ＴＦＴがＯＮ時のソースードレイン間の電流値／ＴＦＴがＯＦＦ時のソースードレイン間の電流値）である。
実験結果を表１に示す。本実験では支持体１上のＴＦＴ素子１００個のうち、２４個のＴＦＴ素子をランダムに選び、それぞれについて性能を評価し平均値を算出した。評価項目は、移動度とＯＮ／ＯＦＦ電流比（ＴＦＴがＯＮ時のソースードレイン間の電流値／ＴＦＴがＯＦＦ時のソースードレイン間の電流値）である。
実験結果より、実施例１で作製したＴＦＴ素子の移動度とＯＮ／ＯＦＦ電流比は、比較例１で作製したＴＦＴ素子より優れていることが確認できた。比較例１で作製したＴＦＴ素子の性能が劣っているのは、有機半導体を形成する工程において、有機半導体へ変換するために１７０℃の加熱処理を行うことによって有機材料からなる他の構成要素が劣化したものと考えられる。
［実施例２］
実施例２は有機半導体前駆体にテトラベンゾポルフィリン前駆体を用いた実施例である。その他は実施例１と同様の工程条件で製造したので、異なる点を主に説明する。
［実施例２］
実施例２は有機半導体前駆体にテトラベンゾポルフィリン前駆体を用いた実施例である。その他は実施例１と同様の工程条件で製造したので、異なる点を主に説明する。
実施例２も、支持体１にはＡｌ膜を表面に１３０ｎｍ形成した住友ベークライト製ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）基板を用い、支持体１上に１０×１０の計１００のトップゲート型ＴＦＴを形成した。
Ｓ１・・・・・有機半導体前駆体層を形成する工程
支持体１上に形成されたソース電極３及びドレイン電極４間のチャネルを覆うように、テトラベンゾポルフィリン前駆体のクロロホルム溶液をピエゾ方式のインクジェット法を用いて吐出し、窒素ガス中２５℃の雰囲気で１０分乾燥し、有機半導体前駆体層２０を形成した。
支持体１上に形成されたソース電極３及びドレイン電極４間のチャネルを覆うように、テトラベンゾポルフィリン前駆体のクロロホルム溶液をピエゾ方式のインクジェット法を用いて吐出し、窒素ガス中２５℃の雰囲気で１０分乾燥し、有機半導体前駆体層２０を形成した。
Ｓ２・・・・・有機半導体層を形成する工程
図３に示すように対向電極５０ａの下面と有機半導体前駆体層２０との間隔が１．０ｍｍになるように配置する。本実施例で用いた対向電極５０ａの電極高Ｌは１３ｍｍ、電極間隔ｘは０．５ｍｍである。第１電源２１、第２電源２２から第１電極１１と第２電極１２の間に周波数１００ｋＨｚにて５０Ｗ／ｃｍ2の出力で高周波電界を与え放電させる。
図３に示すように対向電極５０ａの下面と有機半導体前駆体層２０との間隔が１．０ｍｍになるように配置する。本実施例で用いた対向電極５０ａの電極高Ｌは１３ｍｍ、電極間隔ｘは０．５ｍｍである。第１電源２１、第２電源２２から第１電極１１と第２電極１２の間に周波数１００ｋＨｚにて５０Ｗ／ｃｍ2の出力で高周波電界を与え放電させる。
第１電極１１と第２電極１２の間の放電空間１３に、ガス供給手段から含有するＯ2及びＨ2の濃度が１００ｐｐｍ以下になるように調整されたＮ2ガスを２０ｓｌｍで導入する。すると、対向電極５０ａの支持体１側にジェット状にプラズマ状態のＮ2ガスを吹き出す。
１２０℃に加熱した支持体１を５０ｍｍ／分の搬送速度で対向電極５０ａの下を搬送すると、テトラベンゾポルフィリン前駆体からなる有機半導体前駆体層２０はプラズマ状態のＮ2ガスで満たされた処理空間に晒されてテトラベンゾポルフィリンに変換し有機半導体層２を形成する。
Ｓ３・・・・・無機層を形成する工程
実施例１と同じ条件でＳｉＯ2膜からなる無機層５を形成する。
実施例１と同じ条件でＳｉＯ2膜からなる無機層５を形成する。
Ｓ４・・・・・ゲート電極を形成する工程
実施例１と同じ条件でゲート電極７を形成する。
実施例１と同じ条件でゲート電極７を形成する。
工程Ｓ４の後、絶縁性薄膜を形成し、塗布型ＩＴＯで画素電極を形成してＴＦＴ素子を完成させる。
［比較例２］
比較例２も、支持体１にはＡｌ膜を表面に１３０ｎｍ形成した住友ベークライト製ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）基板を用い、支持体１上に１０×１０の計１００のトップゲート型ＴＦＴを形成した。
［比較例２］
比較例２も、支持体１にはＡｌ膜を表面に１３０ｎｍ形成した住友ベークライト製ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）基板を用い、支持体１上に１０×１０の計１００のトップゲート型ＴＦＴを形成した。
実施例２との工程の違いは、有機半導体層を形成する工程と無機層を形成する工程であり、異なる点だけ詳しく説明する。
有機半導体層を形成する工程
実施例１と同じ工程Ｓ１で有機半導体前駆体層を形成した支持体１を、オーブンで１７０℃に加熱し、テトラベンゾポルフィリン前駆体をテトラベンゾポルフィリンに変換する。
実施例１と同じ工程Ｓ１で有機半導体前駆体層を形成した支持体１を、オーブンで１７０℃に加熱し、テトラベンゾポルフィリン前駆体をテトラベンゾポルフィリンに変換する。
無機層を形成する工程
ポリイミド系の材料を用いて無機層５をスピンコート法で形成し、無機層５に含まれる溶媒成分を、所定の温度で支持体１を加熱することにより乾燥させる。
ポリイミド系の材料を用いて無機層５をスピンコート法で形成し、無機層５に含まれる溶媒成分を、所定の温度で支持体１を加熱することにより乾燥させる。
以降のゲート電極を形成する工程等は実施例２と同じ条件で行いＴＦＴ素子を完成させる。
〔実験結果〕
実験結果を表２に示す。本実験では支持体１上のＴＦＴ素子１００個のうち、２４個のＴＦＴ素子をランダムに選び、それぞれについて性能を評価し平均値を算出した。評価項目は、移動度とＯＮ／ＯＦＦ電流比（ＴＦＴがＯＮ時のソースードレイン間の電流値／ＴＦＴがＯＦＦ時のソースードレイン間の電流値）である。
実験結果を表２に示す。本実験では支持体１上のＴＦＴ素子１００個のうち、２４個のＴＦＴ素子をランダムに選び、それぞれについて性能を評価し平均値を算出した。評価項目は、移動度とＯＮ／ＯＦＦ電流比（ＴＦＴがＯＮ時のソースードレイン間の電流値／ＴＦＴがＯＦＦ時のソースードレイン間の電流値）である。
実験結果より、実施例２で作製したＴＦＴ素子の移動度とＯＮ／ＯＦＦ電流比は、比較例２で作製したＴＦＴ素子より優れていることが確認できた。比較例２で作製したＴＦＴ素子の性能が劣っているのは、有機半導体を形成する工程において、有機半導体へ変換するために１７０℃の加熱処理を行うことによって有機材料からなる他の構成要素が劣化したものと考えられる。
このように、本発明の実施例１、及び２では、プラズマジェットに晒すことにより有機半導体前駆体を有機半導体に変換するので、有機材料から成る構成要素を劣化させない。また、無機層もプラズマジェット法により形成するので、有機半導体層を劣化させることなく、特性の優れたＴＦＴ素子を製造できる。
以上このように、本発明によれば、簡単な工程で特性の優れた有機薄膜トランジスタを製造する有機薄膜トランジスタの製造方法を提供できる。
Claims (9)
- 支持体上にゲート電極、ゲート絶縁層、有機半導体層、ソース電極及びドレイン電極を有する有機薄膜トランジスタの製造方法において、
低分子有機半導体前駆体材料を溶解した溶液を塗布し、有機半導体前駆体層を形成する工程と、
プラズマ状態の放電ガスに前記有機半導体前駆体層を晒すことにより前記有機半導体前駆体を低分子有機半導体に変換し、有機半導体層を形成する工程と、
を有し、
前記放電ガスは、含有するＯ ２ 及びＨ ２ の濃度が１００ｐｐｍ以下のＮ ２ ガスであることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記有機半導体層を形成する工程は、
ジェット方式のプラズマ放電処理装置を用いて、該プラズマ放電処理装置から吹き出すプラズマ状態の放電ガスに前記有機半導体前駆体層を晒すことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記有機半導体層を形成する工程は、
大気圧または大気圧近傍の圧力の下で行うことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記有機半導体層を形成する工程における前記圧力は、２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａであることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記有機半導体前駆体は、ポルフィリン系またはポリアセン系であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記有機半導体層を形成する工程の後、
ジェット方式のプラズマ放電処理装置から吹き出す放電ガス、無機層原料ガス、反応ガスを混合したプラズマ状態のガスに前記有機半導体層を晒すことにより前記有機半導体層の上に無機層を形成する工程を有することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記無機層を形成する工程は、
大気圧または大気圧近傍の圧力の下で行うことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記無機層を形成する工程における前記圧力は、２０ｋＰａ〜１１０ｋＰａであることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 請求の範囲第１項乃至第８項の何れか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法を用いて製造したことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
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