JP4957402B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
これにより、ホールと電子の注入量の適正なバランスを与えるゲート電極110の電位、第一電極140の電位および第二電極150の電位の相対関係は、極めて狭い範囲に制限される。このような制限があると、半導体装置500の設計の自由度が低下するという問題がある。
このように構成することで、ゲート電極の厚さ方向の一部を酸化させ、ゲート電極上に緻密で高品質な酸化タンタルのゲート絶縁膜を形成することができる。
このように構成することで、第一部分のゲート絶縁膜の膜厚を第二部分のゲート絶縁膜の膜厚より大きくすることができる。
このように製造することで、第一部分と第二部分のゲート絶縁膜の膜厚の差を利用して、第一電極および第二電極から半導体膜に注入される電子およびホールの注入の容易性のバランスを調整することができる。
このように製造することで、第二部分のゲート電極の酸化をマスクにより防止した状態で、第一部分のゲート電極の酸化を促進させて、第二部分のゲート絶縁膜よりも膜厚を大きくすることができる。また、ゲート電極上に蒸着法、スパッタリング法等によりゲート絶縁膜を形成する場合と比較して、装置を簡略化して製造を容易にし、生産性を向上させ、製造コストを低減することができる。
このように製造することで、第一部分のゲート絶縁膜の膜厚を第二部分のゲート絶縁膜の膜厚の差を利用して、第一電極および第二電極から半導体膜に注入される電子およびホールの注入の容易性のバランスを調整することができる。
このように製造することで、半導体装置の構造を簡略化して製造を容易にし、生産性を向上させ、製造コストを低減することができる。
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材ごとに縮尺を適宜変更している。
図1に示すように、半導体装置100は、基板1の表面にホールと電子の両方をキャリヤとして用いることができる二極性駆動有機電界効果トランジスタ(以下、二極性駆動有機FET10という)を備えている。基板1は、例えば、ガラス等の電気絶縁材料によって形成されている。
第一領域R1および第二領域R2のゲート絶縁膜12の膜厚T1,T2は、第一領域R1および第二領域R2の単位面積当りのゲート容量、発光性有機半導体材料であるBP3TのHOMOとLUMOの準位、第一電極14と第二電極15の仕事関数等を考慮して設定されている。
ここで、第一領域R1のゲート絶縁膜12の膜厚T1は、例えば、約400nmであり、第二領域R2のゲート絶縁膜12の膜厚T2は、例えば、約133nmである。
また、第一領域R1と第二領域R2の間ではゲート絶縁膜12の膜圧Tが徐々に変化し、第一領域R1に近づくほど膜厚Tが厚く、第二領域R2に近づくほど膜厚Tが薄くなっている。
上述のように、ゲート電圧VGが第一電極14の電圧V1よりも低く、かつ第二電極15の電圧V2よりも高くなるように設定されている。また、半導体膜13はp型の発光性有機半導体材料であるBP3Tによって形成されている。このため、図2に示すように、第一電極14からは半導体膜13へホールhが注入され、第二電極15からは半導体膜13へ電子eが注入される。そして、半導体膜13に注入されたホールhと電子eは半導体膜13内で結合し、これにより半導体膜13が発光する。
また、ホールhおよび電子eの半導体膜13への注入の容易性は、それぞれ第一電極14および第二電極15とゲート電極11との間の電界効果の大きさに比例する。電界効果の大きさはゲート電極11によって励起される単位面積当りの電荷に比例する。その電荷は、第一電極14および第二電極15とゲート電極11との間の電位差と、各電極とゲート電極11の単位面積当りのゲート容量の積で与えられる。
したがって、ゲート絶縁膜12の膜厚T1を膜厚T2よりも大きく形成することで、第一電極14から半導体膜13へ注入されるホールhの注入の容易性を低下させることができる。
図2に示すように、第一電極14の電圧V1を接地電圧とし、ゲート電圧VGを−20Vから−50Vまで10V単位で変化させたときに、それぞれのゲート電圧VGで発光効率が最大となる第二電極15の電圧V2を下記の表2に示す。
すなわち、第一領域R1および第二領域R2のゲート絶縁膜12の膜厚T1,T2は、第一電極14とゲート電極11との間の電位差が30V、ゲート電極11と第二電極15との間の電位差が32Vで、かつ上記の式(2)を満たすときに、半導体膜13に注入されるホールhと電子eの注入の容易性が略等しくなるように設定されている。
したがって、本実施形態の半導体装置100によれば、二極性駆動有機FET10を効率よく発光させることができるゲート電極11の電圧VGの範囲を拡大し、半導体装置100の設計の自由度を向上させることができる。
したがって、ゲート絶縁膜12の品質を向上させ、二極性駆動有機FET10の性能を向上させることができる。
次に、本実施形態の半導体装置100の製造方法について説明する。
まず、図3(a)に示すように、基板1の表面に、タンタルによってゲート電極11を形成する。ゲート電極11は第一電極14および第二電極15の形成領域に対応する第一領域R1および第二領域R2を含んで形成される。ゲート電極11の形成方法としては、例えば、スパッタ法を用いることができる。
陽極酸化法による酸化膜の膜厚は、陽極酸化電圧Vに比例し、その比例係数は約1.9nm/Vである。ここでは、70Vの陽極酸化電圧Vで、ゲート電極11の陽極酸化を行った。したがって、ゲート電極11上の第一領域R1および第二領域R2を含む表面に形成されるゲート絶縁膜12の膜厚Tは約133nmとなる。
したがって、ゲート絶縁膜12の膜厚Tの制御を容易にすることができる。また、ゲート電極12上に蒸着法、スパッタリング法等によりゲート絶縁膜12を形成する場合と比較して、装置を簡略化して製造を容易にし、生産性を向上させ、製造コストを低減することができる。
このとき、二回目の陽極酸化電圧Vを一回目の70Vよりも大きくすることで、図3(c)に示すように、マスクMが形成されていない第一領域R1を含む部分のゲート電極11の酸化が進行する。二回目の陽極酸化電圧Vは、例えば、約220Vで行う。なお、マスクMの形成は、例えば、フォトリソグラフィ法と同様に形成する。
したがって、第二領域R2にマスクMを形成し、ゲート電極11を陽極酸化することで、第一領域R1のゲート電極11の酸化を促進させて、第二部分のゲート絶縁膜よりも膜厚を大きくすることができる。また、第一領域R1と第二領域R2のゲート絶縁膜12の膜厚T1,T2に差を生じさせ、第一電極14と第二電極15から半導体膜13に注入される電子eとホールhの注入の容易性のバランスを制御することができる。
第一領域R1と第二領域R2の間の領域では、マスクMとゲート絶縁膜12との間に陽極酸化電解液Lqが浸透してゲート電極11が酸化される。これにより、ゲート絶縁膜12の膜厚Tは、第一領域R1に近づくにつれて厚くなり、第二領域R2に近づくにつれて薄くなるように、徐々に変化する。
以上により、図1に示す半導体装置100が形成される。
次に、本発明の第二実施形態について、図1および図3〜図5を援用し、図6を用いて説明する。本実施形態では上述の第一実施形態で説明した半導体装置100と、半導体膜13aがn型の発光性有機半導体材料で形成されている点で異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
図1に示すように、半導体装置200の半導体膜13aは、以下の式(3)で表される発光性のn型有機半導体材料であり、(チオフェン/フェニレン)コオリゴマーであるAC5F6pmを含んで形成されている。
上述のように、ゲート電極11の電圧VGが第一電極14の電圧V1よりも高く、かつ第二電極15の電圧V2よりも低くなるように設定されている。また、半導体膜13aは、n型の発光性有機半導体材料であるAC5F6pmによって形成されている。このため、図6に示すように、第一電極14からは半導体膜13aへ電子eが注入され、第二電極15からは半導体膜13aへホールhが注入される。そして、半導体膜13aに注入されたホールhと電子eは半導体膜13a内で結合し、これにより半導体膜13aが発光する。
しかし、本実施形態では、上述の第一実施形態と同様に、第一領域R1および第二領域R2のゲート絶縁膜12の膜厚T1,T2は、ゲート電極11、第一電極14および第二電極15に所定の電位差を与えたときに、第一領域R1および第二領域R2からそれぞれ半導体膜13に注入される電子eとホールhの注入の容易性が略等しくなるように設定されている。
次に、本発明の第三実施形態について、図2、図4を援用し、図7、図8を用いて説明する。本実施形態では上述の第一実施形態で説明した半導体装置100と、第二領域R2のゲート絶縁膜12’が二層に形成されている点で異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
図7に示すように、半導体装置300のゲート絶縁膜12’はゲート電極11の表面に形成された第一ゲート絶縁膜12aと、第一ゲート絶縁膜12a上の第一領域R1を含んで形成された第二ゲート絶縁膜12bによって構成されている。第一ゲート絶縁膜12aは、第一実施形態と同様に酸化タンタルによって形成され、第二ゲート絶縁膜12bは、例えば、シリコン酸化膜等によって形成されている。第二ゲート絶縁膜12bの膜厚Tbは約50nmに形成されている。
第一ゲート絶縁膜12aの膜厚Taは、第一実施形態の第二領域R2のゲート絶縁膜12と同様の膜厚T2に形成されている。第一領域R1のゲート絶縁膜12’は、第一ゲート絶縁膜12aに第二ゲート絶縁膜12bが積層されて形成され、第二領域R2のゲート絶縁膜12’は第一ゲート絶縁膜12aのみによって形成されている。これにより、第一領域R1のゲート絶縁膜12’の膜厚T1を第二領域R2のゲート絶縁膜12’の膜厚T2より大きくすることができる。
したがって、本実施形態の半導体装置300によれば、第一領域R1のゲート絶縁膜12を薄くしつつ、上述の第一実施形態と同様に、二極性駆動有機FET10を効率よく発光させることができるゲート電極11の電位の範囲を拡大し、半導体装置300の設計の自由度を向上させることができる。また、ゲート絶縁膜12の品質を向上させ、二極性駆動有機FET10bの性能を向上させることができる。
次に、本実施形態の半導体装置300の製造方法について、図4、図5(b)および図5(c)を援用し、図8(a)〜図8(c)を用いて説明する。本実施形態の製造方法では上述の第一実施形態で説明した半導体装置100の製造方法と、第二ゲート絶縁膜12bを形成する工程を有する点で異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
このとき、マスクMaのエッジ部分にはスパッタの回りこみがあるため、図8(c)に示すように、第二ゲート絶縁膜12bの第一領域R1と第二領域R2との間は、スロープ状に形成される。
次いで、図5(b)および図5(c)に示すように、第一実施形態と同様に、ゲート絶縁膜12’上に半導体膜13、第一電極14および第二電極15を形成する。これにより、図7に示す半導体装置300が形成される。
次に、本発明の第四実施形態について、図2、図4および図8(a)〜図8(c)を援用し、図9を用いて説明する。本実施形態では上述の第三実施形態で説明した半導体装置300と、基板1aがゲート電極を兼ねている点で異なっている。その他の点は第三実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
図9に示すように、半導体装置400の基板1aは、例えば、不純物がドープされた導電性を有するシリコン等によって形成され、基板1aがゲート電極を兼ねている。また、第一ゲート絶縁膜12aはシリコン酸化膜によって形成されている。第一ゲート絶縁膜12aの膜厚Taは、例えば、約25nmとなっている。
また、ゲート電極を基板1aによって兼用し、第一ゲート絶縁膜11aを酸化タンタルよりも誘電率が低い酸化シリコンによって形成することで、基板1aの厚さ、ゲート絶縁膜12’の厚さをそれぞれ小さくし、半導体装置400を小型化することができる。また、半導体装置400の構成を簡略化し、製造コストを削減することができる。
次に、本実施形態の半導体装置400の製造方法について、図5(b)、図5(c)および図8を援用し、図9を用いて説明する。本実施形態の製造方法では、上述の第三実施形態で説明した半導体装置300の製造方法と、基板1aをゲート電極として利用し、熱酸化により第一ゲート絶縁膜12aを形成する点で異なっている。その他の点は第三実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
このように、基板1aをゲート電極として利用することで、半導体装置400の構造を簡略化して製造を容易にし、生産性を向上させ、製造コストを低減することができる。
また、半導体膜の材料は、発光性の有機半導体材料であれば、上述の実施形態において説明した材料に限られない。p型有機半導体材料としては、上述のBP3Tの他に、例えば、以下の式(5)で表されるAC5等を用いることができる。
なお、本発明の二極性有機FETを非発光素子として用いる分野へ応用する場合には、p型有機半導体材料としてペンタセン等を、n型半導体膜として式(7)によって表されるPTCDI、60フラーレン等を用いてもよい。
Claims (8)
- 発光性のp型有機半導体材料を含む半導体膜と、
ゲート電極と、
前記半導体膜と前記ゲート電極との間に位置するゲート絶縁膜と、
前記半導体膜にホールを注入する第一電極と、
前記半導体膜に電子を注入する第二電極と、を含み、
前記ゲート絶縁膜の第一部分が前記第一電極と前記ゲート電極との間に位置し、前記ゲート絶縁膜の第二部分が前記第二電極と前記ゲート電極との間に位置し、前記第一部分の膜厚が前記第二部分の膜厚よりも大きく、
前記ゲート電極の電位を前記第一電極の電位よりも低く、かつ前記第二電極の電位よりも高くすることで、前記第一電極から前記半導体膜にホールを、前記第二電極から前記半導体膜に電子をそれぞれ注入できるよう設定されている、
ことを特徴とする半導体装置。 - 発光性のn型有機半導体材料を含む半導体膜と、
ゲート電極と、
前記半導体膜と前記ゲート電極との間に位置するゲート絶縁膜と、
前記半導体膜に電子を注入する第一電極と、
前記半導体膜にホールを注入する第二電極と、を含み、
前記ゲート絶縁膜の第一部分が前記第一電極と前記ゲート電極との間に位置し、前記ゲート絶縁膜の第二部分が前記第二電極と前記ゲート電極との間に位置し、前記第一部分の膜厚が前記第二部分の膜厚よりも大きく、
前記ゲート電極の電位を前記第一電極の電位よりも高く、かつ前記第二電極の電位よりも低くすることで、前記第一電極から前記半導体膜に電子を、前記第二電極から前記半導体膜にホールをそれぞれ注入できるよう設定されている、
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記ゲート電極はタンタルを含み、前記ゲート絶縁膜は酸化タンタルを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜は第一ゲート絶縁膜と第二ゲート絶縁膜とを含み、
前記第一ゲート絶縁膜の一部と前記第二ゲート絶縁膜とが重なり、
前記第一部分が前記第一ゲート絶縁膜と前記第二ゲート絶縁膜とを含み、
前記第二部分が前記第二ゲート絶縁膜を含む、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 - ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート電極上に、膜厚の異なる第一部分と第二部分とを含むゲート絶縁膜を、前記第一部分の膜厚が前記第二部分の膜厚よりも大きくなるように形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記ゲート絶縁膜上に半導体膜を形成する半導体膜形成工程と、
前記半導体膜上の前記第一部分と重なる領域に第一電極を形成し、前記半導体膜上の前記第二部分と重なる領域に第二電極を形成する電極形成工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート絶縁膜形成工程において、
前記ゲート電極の厚さ方向の一部を酸化して前記ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上の前記第二部分にマスクを形成し、前記ゲート電極の前記第一部分を酸化する工程と、
を有することを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート絶縁膜形成工程において、
前記ゲート電極の厚さ方向の一部を酸化して第一ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第一ゲート絶縁膜上の前記第一部分に第二ゲート絶縁膜をマスクスパッタ法により形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート電極形成工程において、
基板に不純物をドープして前記ゲート電極とすることを特徴とする請求項5または請求項7記載の半導体装置の製造方法。
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