JP4989907B2 - 半導体装置及び電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、有機半導体を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、有機半導体を用いた有機トランジスタの研究が盛んに行われている。有機半導体の特徴を活かし、薄膜形成が容易であること、軽量で可撓性を有し、プラスチックやフィルム基板、紙などといったフレキシブルな基板の上に有機半導体装置を形成することが期待されている。さらにチャネルを形成する有機半導体材料は非常に安価であり、成膜温度が低く、インクジェット法、印刷法もしくはスタンプ法などの真空チャンバーを使わないプロセスも適用することができるため、有機トランジスタを用いた半導体装置全般の作製コストを大幅に削減することが期待される。
有機トランジスタは、ガラス基板、ゲート電極、ゲート絶縁体層、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体層で構成される。有機半導体層の下にソース電極、ドレイン電極を設ける構造をボトムコンタクト型構造と呼び、有機半導体層の上に設ける構造をトップコンタクト型構造と呼ぶ。
有機トランジスタの場合には、トップコンタクト型構造を採用したほうがキャリア移動度を大きくできる。しかしこの構造ではパターンなどの微細加工を施すためにフォトリソグラフィなどの工程を用いることは難しく、微細加工にはソース電極、ドレイン電極形成後に有機半導体層を形成するボトムコンタクト型構造に限られるかもしれない。そのため有機トランジスタの構造はその長所、短所に合わせて適用する必要がある。
有機トランジスタのキャリア移動度は有機半導体のモルフォロジー（アモルファス、多結晶、単結晶などの状態）に大きく依存することが知られている。なかでも有機半導体層の単結晶を用いた有機トランジスタは高いキャリア移動度を示し、アモルファスシリコンと同程度のキャリア移動度を有している。良好な有機物の単結晶を得る方法としては液相成長法や気相輸送法などが挙げられる。
有機トランジスタに単結晶を積極的に用いて諸特性を改善するためには、単結晶を成長させる位置を選択的に塗り分ける技術が必要になる。この単結晶の塗り分けには、基板部位のぬれ性を改質して選択的に単結晶を成長させる手法などが代表的なものである。
有機半導体層の単結晶を利用している例として、ペンタセン蒸着膜の結晶状態を制御し、低電圧駆動で高いキャリア移動度を有する有機半導体素子を提供するために、ゲート絶縁体層の表面に表面エネルギーの低い島状突起が分散して形成されている島状突起層を設ける構造を提案している（例えば特許文献１参照）。
また、ゲート絶縁体層表面に対する純水の接触角を５０度以上１２０度以下に限定し、ゲート絶縁体層の表面にフッ素ポリマー層を形成することを特徴とする有機トランジスタを提案している（例えば特許文献２参照）。
特開２００４−２３０２１号公報 特開２００１−９４１０７号公報
上記特許文献１のように有機半導体層の単結晶を形成すると、キャリアが伝播するチャネルの有機半導体層とゲート絶縁体層との界面の平坦性が失われてしまうため、有機半導体層の単結晶のもつキャリア移動度を十分に活用しているとは言い難い。
また上記特許文献２では、チャネル全体に渡って有機半導体層の単結晶を成長させることが出来なかった場合に歩留まりが低下することになる。
そこで本発明は、有機トランジスタに効率的に有機半導体層の単結晶、あるいは結晶性の高い膜を適用することを課題とする。
上記課題を鑑み本発明の半導体装置は、有機半導体層を積層構造とし、少なくとも上層の有機半導体層は多結晶状態、又は単結晶状態を有し、下層の有機半導体層はチャネルとして機能する材料からなることを特徴とする。この場合、多結晶における一つの結晶粒のサイズよりも単結晶の結晶粒サイズの方が大きい。下層の有機半導体層は、上層の有機半導体層と同程度、又はそれ以下の結晶性を有することを特徴とする。結晶性の高い上層の有機半導体層により、キャリア移動度を高めることができる。また、当該上層の有機半導体層がチャネル面積に対し、基板と平行方向の結晶の成長が十分に行われ無い場合でも、下層の有機半導体層がソース電極及びドレイン電極と接触しているため、不十分な接触を補償することができる。
結晶性の高い有機半導体層の例として単結晶状態の有機半導体層がある。このような結晶性の高い有機半導体層は、結晶条件や結晶状態によって、チャネル面積に対し基板と平行方向の結晶の成長が十分に行われない場合など、当該単結晶とソース電極及びドレイン電極やゲート絶縁体層との物理的な接触が不十分となることが考えられる。しかし、その場合も下層に設けられた有機半導体層が、ソース電極及びドレイン電極やゲート絶縁体層と接触していることによって、不十分な接触を補償し、チャネルとして機能させることができる。
具体的には、有機半導体のキャリア移動度を向上させるため、積層された有機半導体層の上層には有機半導体層の単結晶を用い、下層には多結晶からなる有機半導体層を用いる。勿論好ましくは下層の有機半導体層は、上層の有機半導体層の結晶状態と同程度の状態を有するとよい。キャリア移動度の電気抵抗をより低くすることができるからである。また本発明において、下層の有機半導体層に非晶質からなる有機半導体層を用いることもできる。非晶質であっても、単結晶によるソース電極及びドレイン電極との不十分な接触を補う効果を奏することができるからである。
別の形態では、上層の有機半導体層には多結晶からなる有機半導体層を用い、下層の有機半導体層には非晶質からなる有機半導体層を用いることができる。勿論好ましくは下層の有機半導体層は、上層の有機半導体層の結晶状態と同程度の状態を有するとよい。キャリア移動度の電気抵抗をより低くすることができるからである。
すなわち下層の有機半導体層は、上層の有機半導体層より結晶性が低く、チャネルとして機能する材料であればよい。
単結晶からなる有機半導体層の成膜手段として気相輸送法を用いることができる。そして選択的に形成された下層有機半導体層にそって、選択的に単結晶からなる有機半導体層を形成することができる。すなわち下層の有機半導体層により、チャネル間に選択的に、単結晶を成長させることが可能となる。
具体的な本発明の半導体装置は、ゲート電極と、ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極に隣接する第１の有機半導体層と、第１の有機半導体層上に接して設けられた第２の有機半導体層とを有し、第２の有機半導体層は、第１の有機半導体層より結晶性が高いことを特徴とする。
別の形態の本発明の半導体装置は、ゲート電極と、ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極に隣接する第１の有機半導体層と、第１の有機半導体層上に接して設けられた第２の有機半導体層とを有し、第２の有機半導体層は、第１の有機半導体層より結晶粒が大きいことを特徴とする。
別の形態の本発明の半導体装置は、ゲート電極と、ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極に隣接する第１の有機半導体層と、第１の有機半導体層上に接して設けられた第２の有機半導体層とを有し、第１の有機半導体層は多結晶又は非晶質を有し、第２の有機半導体層は単結晶を有することを特徴とする。
別の形態の本発明の半導体装置は、ゲート電極と、ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極に隣接する第１の有機半導体層と、第１の有機半導体層上に接して設けられた第２の有機半導体層とを有し、第１の有機半導体層は非晶質を有し、第２の有機半導体層は多結晶を有することを特徴とする。
別の形態の本発明の半導体装置は、ゲート電極と、ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極に隣接する第１の有機半導体層と、第１の有機半導体層上に接して設けられた第２の有機半導体層とを有し、第１の有機半導体層は単結晶を有し、第２の有機半導体層は第１の有機半導体層とは異なる材料からなる単結晶を有することを特徴とする。
また具体的な本発明の半導体装置の作製方法について示す。
本発明の半導体装置の作製方法は、基板上にゲート電極とゲート絶縁体層とを形成し、ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極に隣接する第１の有機半導体層を形成し、第１の有機半導体層に接して、第２の有機半導体層を形成し、第２の有機半導体層は、第１の有機半導体層よりも結晶粒が大きくなるように形成することを特徴とする。
別の形態の本発明の半導体装置の作製方法は、基板上にゲート電極とゲート絶縁体層とを形成し、ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極に隣接する第１の有機半導体層を形成し、第１の有機半導体層に接して、第２の有機半導体層を形成し、第２の有機半導体層は、第１の有機半導体層よりも結晶性が高くなるように形成することを特徴とする。
別の形態の本発明の半導体装置の作製方法は、基板上にゲート電極とゲート絶縁体層とを形成し、ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極に隣接する第１の有機半導体層を形成し、第１の有機半導体層に接して、第２の有機半導体層を形成し、第１の有機半導体層は多結晶又は非晶質となるように形成し、第２の有機半導体層は単結晶となるように形成することを特徴とする。
別の形態の本発明の半導体装置の作製方法は、基板上にゲート電極とゲート絶縁体層とを形成し、ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極に隣接する第１の有機半導体層を形成し、第１の有機半導体層に接して、第２の有機半導体層を形成し、第１の有機半導体層は非晶質となるように形成し、第２の有機半導体層は多結晶となるように形成することを特徴とする。
本発明により、有機半導体層の単結晶を効率的、選択的に形成することができる。当該単結晶をチャネル形成領域として用いることができ、その結果キャリア移動度を高めることができる。
また、有機半導体層の単結晶の基板面と平行方向の成長がチャネル面積に対して不十分な場合にも、有機半導体の薄膜をあらかじめ形成する本発明により、第２の有機半導体層が十分に形成されなかった場合に不十分な結晶成長を補償するチャネルとして有機半導体の薄膜を機能させることができる。その結果、有機半導体層の単結晶の成長不十分さから生じる不完全なチャネル形成を防止して、歩留まり良くキャリア移動度の高い有機トランジスタを提供することができる。
また有機半導体層を設けることにより有機半導体層の単結晶（あるいは結晶性の高い有機半導体層）とゲート絶縁体層との密着性を改善して有機トランジスタのオフ電流を低下させることができる。また有機半導体層は有機半導体層の単結晶（あるいは結晶性の高い有機半導体層）とソース電極，ドレイン電極との接触を改善した結果、キャリアの注入障壁を低下させて、オン電流を増大させ、閾値電圧のシフトを低減させることができる。
さらに本発明は選択的に単結晶を成長させるため、有機半導体材料のロスを低減することができる。本発明は、有機トランジスタの動作が安定で長寿命を与え、作製方法が簡便である有機トランジスタを提供することを特徴とする。
以下、本発明の一態様について説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
（実施の形態１）
本発明の有機トランジスタとその作製方法の一態様について図１を用いて説明する。
基板１０１の上にゲート電極１０２を形成する。ゲート電極１０２は、成膜した導電層をフォトリソグラフィ法によって所望の形状に加工して形成してもよいし、導電物を含む液滴をインクジェット法等によって吐出することにより形成してもよい。なお本発明のゲート電極１０２の作製方法は、これに限定されるものではない。また、ゲート電極１０２を形成する材料には、例えばアルミニウム、銅、金、銀等を用いることができる。なお本発明のゲート電極に用いる材料はこれに限定されるものではなく、導電性を有する材料であればよい。また、基板１０１について、ガラス、石英等の他、プラスチック、ポリカーボネード等の可撓性を有する基板を用いることができる。なお本発明に用いる基板は、これに限定されるものではない。また有機トランジスタは高温処理を必要としないため、プラスチック、ポリカーボネード等の可撓性を有する基板を用いることができ、半導体装置の軽量化、薄型化、柔軟性の向上を図ることができる。
次に、ゲート電極１０２を覆うゲート絶縁体層１０３を形成する。ゲート絶縁体層１０３には、例えば酸化珪素や窒化珪素等の絶縁物をＣＶＤ法等によって成膜して形成してもよいし、陽極酸化法を用いてゲート電極表面を酸化することにより形成してもよい。この他、ポリイミド、ポリアミック酸、ポリビニルフェノールなどの有機物をキャスト法、スピナー法、印刷法、インクジェット法等の方法により塗布してゲート絶縁体層１０３を形成してもよい。なお本発明のゲート絶縁体層は、これに限定されるものではない。
次にゲート絶縁体層１０３の上に、ソース電極１０４、ドレイン電極１０５を形成して有機トランジスタ形成領域１０６を作製する（図１（Ａ））。ソース電極１０４、ドレイン電極１０５は、金、銀、タングステン等の無機導電物の他、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（スチレンスルホン酸）混合物（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）等を含む有機導電物等を用いて形成すればよい。なお本発明のソース電極及びドレイン電極の材料は、これに限定されるものではない。また、ソース電極１０４、ドレイン電極１０５は、スパッタリング装置や蒸着装置等の成膜装置を用いて形成した導電層を、所望の形状に加工することによって形成してもよいし、または導電物を含む液滴をインクジェット法等によって吐出することにより形成してもよい。なお本発明のソース電極及びドレイン電極の作製方法は、これに限定されるものではない。
有機トランジスタ形成領域１０６の上で、有機半導体層の単結晶を形成する領域に有機半導体層１０７を形成する。少なくとも、ソース電極及びドレイン電極の間には有機半導体層１０７を形成する。有機半導体層１０７を設ける結果、その上に有機半導体層の単結晶を効率的に形成することができ、その領域から単結晶を成長させることができる。
このように有機トランジスタのキャリア移動度を高めるため、有機半導体層の単結晶を形成すると、結晶条件や結晶粒の形状等の結晶状態によって、チャネル面積に対し基板と平行方向の成長が不十分な場合、チャネル面積全体に結晶が形成されず、ソース電極及びドレイン電極やゲート絶縁体層との物理的な接触が不十分となることが考えられる。そこで本発明は有機半導体層１０７が、ソース電極及びドレイン電極やゲート絶縁体層と接触していることによって、不十分な接触を補償し、チャネルとして機能させることを特徴とするため、有機半導体層１０７はチャネルとして機能する材料であればよい。このような有機半導体層１０７は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚となるように形成する。
例えば、有機半導体層１０７には、フタロシアニン（Ｈ２Ｐｃ）、フタロシアニン銅（ＣｕＰｃ）、チタニルフタロシアニン（ＴｉＯＰｃ）、バナジルフタロシアニン（ＶｏＰｃ）などのフタロシアニン系材料、アントラセン、テトラセン、ペンタセンなどのアセン系材料、セキシチオフェン（α−６Ｔ）、クォーターチオフェン（α−４Ｔ）などのチオフェンオリゴマー系材料、その他フラーレン（Ｃ６０）、ペリレンといった材料を用いることができるが、アントラセン、テトラセン、ペンタセンなどの高いキャリア移動度を有する有機半導体を用いることが望ましい。アントラセン、テトラセン、ペンタセンなどの高い移動度を有する有機半導体は、後に有機半導体層の単結晶を形成することができる。このように、有機半導体層１０７は、後に形成する有機半導体層の単結晶と同一材料により形成すると密着性、作製工程の面からも好ましい。
しかし本発明の有機半導体層１０７はこれに限定されず、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：α−ＮＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＴＰＤ）、４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］トリフェニルアミン（略称：ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’−ビス［Ｎ−｛４−（Ｎ，Ｎ−ジ−ｍ−トリルアミノ）フェニル｝−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＮＴＰＤ）等の芳香族アミン化合物等の有機化合物を用いることができる。
このような有機半導体層１０７は、蒸着法、インクジェット法、印刷法、又はスタンプ法などを用いて形成することができる。また蒸着法等を用いる場合、マスクを用いて選択的に有機半導体層１０７を形成することがきる。なお本発明の有機半導体層の作製方法はこれに限定されるものではない。
有機半導体層１０７は、後に形成される有機半導体層の単結晶と、同程度の結晶状態の有機半導体層を用いると、本発明の効果を引き出すことができる。例えば後に形成する有機半導体層として、有機半導体層の単結晶を用いる場合、有機半導体層１０７には単結晶状態や多結晶状態のように結晶性の高い有機半導体層を用いるとよい。また有機半導体層の多結晶を形成する場合、有機半導体層１０７は多結晶状態を有する有機半導体層を用いるとよい。
次に有機半導体層１０７の上に、結晶性の高い有機半導体層として有機半導体層の単結晶１０８を形成し、有機トランジスタ１０９を形成する（図１（Ｂ））。あらかじめ有機半導体層１０７を成膜しているため、有機半導体層の単結晶１０８を選択的、効率的に形成することができ、結晶成長させることができる。当該単結晶をチャネル形成領域として用いることができ、キャリア移動度を高めることができる。またあらかじめ形成された有機半導体層１０７を、単結晶の核として使用することができる。
また有機半導体層の単結晶１０８はフタロシアニン（Ｈ２Ｐｃ）、フタロシアニン銅（ＣｕＰｃ）、チタニルフタロシアニン（ＴｉＯＰｃ）、バナジルフタロシアニン（ＶｏＰｃ）などのフタロシアニン系材料、アントラセン、テトラセン、ペンタセンなどのアセン系材料、セキシチオフェン（α−６Ｔ）、クォーターチオフェン（α−４Ｔ）などのチオフェンオリゴマー系材料、その他フラーレン（Ｃ６０）、ペリレン等の材料を用いて、有機分子線エピタキシー（ＯＭＢＥ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＨＷＥ（Ｈｏｔ Ｗａｌｌ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＰＶＴ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）法などの気相輸送法により形成することができる。
このように上層の有機半導体層は、下層の有機半導体層より結晶性が高いことを特徴とする。結晶性が高いとは、結晶粒が大きいとも言うことができる。そして結晶性の高い有機半導体層によって、キャリア移動度を高め、当該有機半導体層とソース電極及びドレイン電極やゲート絶縁体層との不十分な接触を下層の有機半導体層がソース電極及びドレイン電極やゲート絶縁体層と接触していることによって補償することができる。
なお有機トランジスタにおいて、キャリアは有機半導体層のゲート絶縁体層側を多く流れる。そのため不十分な接触を補償するために設けられた有機半導体層１０７の膜厚によっては、抵抗の低い単結晶とキャリアの流れやすい領域の距離が離れてしまい、効率的に単結晶側にキャリアが流れない恐れがある。従って、有機半導体層１０７の膜厚は２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすると好ましい。
さらに、基板１０１上に複数の有機トランジスタ１０９を含む場合にも同様の工程を経て有機半導体装置１１０（図１（Ｃ））を形成することができる。
以上のようにして、作製した本発明の有機トランジスタ１０９は、有機半導体層１０７をあらかじめ成膜しているため、有機半導体層の単結晶１０８を選択的に形成し、その後結晶成長させることができる。当該単結晶をチャネル形成領域として用いることができ、キャリア移動度を高めることができる。
さらに、有機半導体層の単結晶１０８だけではチャネルの面積に対し基板と平行方向の結晶の成長が十分に行われないことがある。その場合、有機半導体層の単結晶１０８の下方に形成した有機半導体層１０７は、ソース電極及びドレイン電極やゲート絶縁体層と接触していることで、チャネルとして機能するため、歩留まりを向上させることができる。
また有機半導体層１０７を設けることにより有機半導体層の単結晶１０８とゲート絶縁体層１０３との密着性を改善することができる。その結果、有機トランジスタ１０９のオフ電流を低下させることができる。また有機半導体層１０７によって、有機半導体層の単結晶１０８とソース電極１０４、ドレイン電極１０５との接触を改善することができる。その結果、キャリアの注入障壁を低下させて、オン電流を増大させ、閾値電圧のシフトを低減させることができる。本実施の形態では、ボトムゲート型有機トランジスタを説明したが、本発明はトップゲート型有機トランジスタにも適用可能である。本実施の形態のトップゲート型有機トランジスタ９０８、及びその作製方法を図９（Ａ）を用いて説明する。まず、ソース電極９０２及びドレイン電極９０３を基板９０１上に公知の方法を用いて形成する。次に、第１の有機半導体層９０４をソース電極９０２及びドレイン電極９０３上に蒸着法、インクジェット法、印刷法、スタンプ法等を用いて形成する。次に、第２の有機半導体層９０５を第１の有機半導体層９０４上にＯＭＢＥ法、ＨＷＥ法、ＰＶＴなどの気相輸送法を用いて形成する。そして、ゲート電極９０７をゲート絶縁体層９０６を介して第２有機半導体層９０５上に公知の方法で形成する。
（実施の形態２）
本発明の有機トランジスタとその作製方法の一態様について図２を用いて説明する。
基板２０１の上にゲート電極２０２を形成する。ゲート電極２０２は、成膜した導電層をフォトリソグラフィ法によって所望の形状に加工して形成してもよいし、導電物を含む液滴をインクジェット法等によって吐出することにより形成してもよい。しかし本発明のゲート電極は、これに限定されない。また、ゲート電極２０２を形成する材料には、例えばアルミニウム、銅、金、銀等を用いることができる。しかし本発明のゲート電極の材料は、これに限定されない。また、基板２０１について、ガラス、石英等の他、プラスチック、ポリカーボネード等の可撓性を有する基板を用いることができる。しかし本発明の基板は、これに限定されない。なお有機トランジスタは６００℃以上の高温処理を必要としないため、プラスチック、ポリカーボネード等の可撓性を有する基板を用いることができ、装置の軽量化、薄型化、柔軟性の向上を図ることができる。
次に、ゲート電極２０２を覆うゲート絶縁体層２０３を形成する。ゲート絶縁体層２０３には、例えば酸化珪素や窒化珪素等の絶縁物をＣＶＤ法等によって成膜して形成してもよいし、陽極酸化法を用いてゲート電極表面を酸化することにより形成してもよい。しかし本発明のゲート絶縁体層の作製方法は、これに限定されない。この他、ポリイミド、ポリアミック酸、ポリビニルフェノールなどの有機物をキャスト法、スピナー法、印刷法、インクジェット法等の方法により塗布してゲート絶縁体層２０３を形成してもよい。このようにして、有機トランジスタ形成領域２０４を作製する（図２（Ａ））。
次いで図２（Ｂ）に示すように、有機トランジスタ形成領域２０４の上で、有機半導体層の単結晶を形成する領域に有機半導体層２０５を形成する。少なくともソース電極及びドレイン電極の間となる領域には、有機半導体層２０５を形成する。有機半導体層２０５を設ける結果、その上に有機半導体層の単結晶を効率的に形成することができ、その領域から単結晶を成長させることができる。
このように有機トランジスタのキャリア移動度を高めるため、有機半導体層の単結晶を形成すると、結晶条件や結晶粒の形状等の結晶状態によって、チャネル面積に対し基板と平行方向の結晶の成長が十分に行われない場合など、ソース電極及びドレイン電極との接触が不十分となることが考えられる。そこで本発明は有機半導体層２０５によって、ソース電極及びドレイン電極との接触を補償し、チャネルとして機能させることを特徴とするため、有機半導体層２０５はチャネルとして機能する材料であればよい。このような有機半導体層２０５は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚となるように形成する。
例えば、有機半導体層２０５には、フタロシアニン（Ｈ２Ｐｃ）、フタロシアニン銅（ＣｕＰｃ）、チタニルフタロシアニン（ＴｉＯＰｃ）、バナジルフタロシアニン（ＶｏＰｃ）などのフタロシアニン系材料、アントラセン、テトラセン、ペンタセンなどのアセン系材料、セキシチオフェン（α−６Ｔ）、クォーターチオフェン（α−４Ｔ）などのチオフェンオリゴマー系材料、その他フラーレン（Ｃ６０）、ペリレンといった材料を用いることができるが、アントラセン、テトラセン、ペンタセンなどの高いキャリア移動度を有する有機半導体を用いることが望ましい。アントラセン、テトラセン、ペンタセンなどの高い移動度を有する有機半導体は、後に有機半導体層の単結晶を形成することができる。このように、有機半導体層２０５は、後に形成する有機半導体層の単結晶と同一材料により形成すると密着性、作製工程の面からも好ましい。
しかし本発明の有機半導体層２０５はこれに限定されず、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：α−ＮＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＴＰＤ）、４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］トリフェニルアミン（略称：ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’−ビス［Ｎ−｛４−（Ｎ，Ｎ−ジ−ｍ−トリルアミノ）フェニル｝−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＮＴＰＤ）等の芳香族アミン化合物等の有機化合物を用いることができる。
このような有機半導体層２０５は、蒸着法、インクジェット法、印刷法、又はスタンプ法などを用いて形成することができる。また蒸着法等を用いる場合、マスクを用いて選択的に有機半導体層２０５を形成することがきる。なお本発明の有機半導体層の作製方法はこれに限定されるものではない。
有機半導体層２０５は、後に形成される有機半導体層の単結晶と、同程度の結晶状態の有機半導体層を用いると、本発明の効果を引き出すことができる。例えば後に形成する有機半導体層として、有機半導体層の単結晶を用いる場合、有機半導体層２０５には単結晶状態や多結晶状態のように結晶性の高い有機半導体層を用いるとよい。また有機半導体層の多結晶を形成する場合、有機半導体層２０５は多結晶状態を有する有機半導体層を用いるとよい。
次に有機半導体層２０５の上に、結晶性の高い有機半導体層として有機半導体層の単結晶２０６を形成する。あらかじめ有機半導体層２０５を成膜しているため、有機半導体層の単結晶２０６を選択的、効率的に形成することができ、結晶成長させることができる。当該単結晶をチャネル形成領域として用いることができ、キャリア移動度を高めることができる。またあらかじめ形成された有機半導体層２０５を、単結晶の核として使用することができる。
また有機半導体層の単結晶２０６はフタロシアニン（Ｈ２Ｐｃ）、フタロシアニン銅（ＣｕＰｃ）、チタニルフタロシアニン（ＴｉＯＰｃ）、バナジルフタロシアニン（ＶｏＰｃ）などのフタロシアニン系材料、アントラセン、テトラセン、ペンタセンなどのアセン系材料、セキシチオフェン（α−６Ｔ）、クォーターチオフェン（α−４Ｔ）などのチオフェンオリゴマー系材料、その他フラーレン（Ｃ６０）、ペリレン等の材料を用いて、気相輸送法により形成することができる。
このように上層の有機半導体層は、下層の有機半導体層より結晶性が高いことを特徴とする。結晶性が高いとは結晶粒が大きいとも言うことができる。そして結晶性の高い有機半導体層によって、キャリア移動度を高め、当該有機半導体層とソース電極及びドレイン電極やゲート絶縁体層との不十分な接触を下層の有機半導体層によって補償することができる。
有機トランジスタにおいて、キャリアは有機半導体層のゲート絶縁体層側を多く流れる。そのため不十分な接触を補償するために設けられた有機半導体層２０５の膜厚によっては、抵抗の低い単結晶とキャリアの流れやすい領域の距離が離れてしまい、効率的に単結晶側にキャリアが流れない恐れがある。従って、有機半導体層２０５の膜厚は２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすると好ましい。
次に有機半導体層の単結晶２０６の上に、ソース電極２０７、ドレイン電極２０８を形成して有機トランジスタ２０９を完成する（図２（Ｂ））。ソース電極２０７、ドレイン電極２０８は、金、銀、タングステン等の無機導電物の他、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（スチレンスルホン酸）混合物（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）等を含む有機導電物等を用いて形成すればよい。しかし本発明のソース電極及びドレイン電極の材料は、これに限定されない。また、ソース電極２０７、ドレイン電極２０８は、スパッタリング装置や蒸着装置等の成膜装置を用いて、形成した導電層を所望の形状に加工することによって形成してもよいし、または導電物を含む液滴をインクジェット法等によって吐出することにより形成してもよい。しかし本発明のソース電極及びドレイン電極の作製方法は、これに限定されない。
さらに、基板２０１上に複数の有機トランジスタ２０９を含む場合にも同様の工程を経て有機半導体装置２１０（図２（Ｃ））を形成することができる。
以上のようにして、作製した本発明の有機トランジスタ２０９は、有機半導体層２０５をあらかじめ成膜しているため、有機半導体層の単結晶２０６を選択的に形成し、その後結晶成長させることができる。当該単結晶をチャネル形成領域として用いることができ、キャリア移動度を高めることができる。
さらに、有機半導体層の単結晶２０６だけではチャネル面積に対し基板と平行方向の結晶の成長が十分に行われない場合に、有機半導体層の単結晶２０６の下方に形成した有機半導体層２０５は、ソース電極及びドレイン電極やゲート絶縁体層と接触していることで、チャネルとして機能するため、歩留まりを向上させることができる。
また有機半導体層２０５を設けることにより有機半導体層の単結晶２０６とゲート絶縁体層２０３との密着性を改善することができる。その結果、有機トランジスタ２０９のオフ電流を低下させることができる。また有機半導体層２０５によって、有機半導体層の単結晶２０６とソース電極２０７、ドレイン電極２０８との接触を改善することができる。その結果、キャリアの注入障壁を低下させて、オン電流を増大させ、閾値電圧のシフトを低減させることができる。本実施の形態では、ボトムゲート型有機トランジスタを説明したが、本発明はトップゲート型有機トランジスタにも適用可能である。本発明のトップゲート型有機トランジスタ９１８を図９（Ｂ）を用いて説明する。まず、第１の有機半導体層９１２を基板９１１上に蒸着法、インクジェット法、印刷法、スタンプ法等を用いて形成する。次に、第２の有機半導体層９１３を第１有機半導体層９１２上にＯＭＢＥ法、ＨＷＥ法、ＰＶＴ等の気相輸送法を用いて形成する。次に、ソース電極９１４及びドレイン電極９１５を第２の有機半導体層９１３上に公知の方法を用いて形成する。そして、ゲート電極９１７はゲート絶縁体層９１６を介してソース電極９１４及びドレイン電極９１５上に公知の方法を用いて形成する。
（実施の形態３）
本発明の有機半導体装置とその作製方法の一態様について図３から図５を用いて説明する。
基板３０１の上にゲート電極３０２を形成する。ゲート電極３０２は、上記実施の形態と同様に成膜した導電層をフォトリソグラフィ法によって所望の形状に加工して形成してもよいし、導電物を含む液滴をインクジェット法等によって吐出することにより形成してもよい。また、ゲート電極３０２を形成する材料には、上記実施の形態と同様に例えばアルミニウム、銅、金、銀等を用いることができる。また、基板３０１について、上記実施の形態と同様にガラス、石英等の他、プラスチック、ポリカーボネード等の可撓性を有する基板を用いることができる。
次に、ゲート電極３０２を覆うゲート絶縁体層３０３を形成する。ゲート絶縁体層３０３には、上記実施の形態と同様に、例えば酸化珪素や窒化珪素等の絶縁物をＣＶＤ法等によって成膜して形成してもよいし、陽極酸化法を用いてゲート電極表面を酸化することにより形成してもよい。この他、ポリイミド、ポリアミック酸、ポリビニルフェノールなどの有機物をキャスト法、スピナー法、印刷法、インクジェット法等の方法により塗布してゲート絶縁体層３０３を形成してもよい。
次にゲート絶縁体層３０３の上に、ソース電極３０４、ドレイン電極および発光素子の陽極３０５を形成して有機半導体装置形成領域３０６を作製する（図３）。ソース電極３０４、ドレイン電極３０５は、上記実施の形態と同様に金、銀、タングステン等の無機導電物の他、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（スチレンスルホン酸）混合物（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）等を含む有機導電物等を用いて形成すればよい。また発光素子の陽極３０５も、金、銀、タングステン等の無機導電物の他、ポリ（エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（スチレンスルホン酸）混合物（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）等を含む有機導電物等を用いて形成すればよい。
また陽極に透光性を持たせる場合、上記材料を非常に薄くして形成したり、透明導電材料である酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、ガリウムを添加した酸化亜鉛（ＧＺＯ）、酸化珪素を含む酸化インジウムスズ（ＩＴＳＯ）を用いることができる。なお本発明の陽極材料は、これらに限定されない。また、このようなソース電極３０４、ドレイン電極および発光素子の陽極３０５の形成方法は、スパッタリング装置や蒸着装置等の成膜装置を用いて形成した導電層を所望の形状に加工することによって形成してもよいし、または導電物を含む液滴をインクジェット法等によって吐出することにより形成してもよい。しかしこれ作製方法に限定されない。本実施の形態では、ドレイン電極と陽極３０５とは兼ねた構成とする。
次に、図４に示すようにドレイン電極および発光素子の陽極３０５の上に、ホール輸送性有機半導体層３０７を形成する。ホール輸送性有機半導体層３０７の形成方法は、たとえば蒸着法やスピンコート法、印刷法やインクジェット法などを用いればよい。しかしこれら作製方法に限定されない。
次にホール輸送性有機半導体層３０７の上に、発光層、電子輸送性有機半導体層３０８を形成する。ホール輸送性有機半導体層３０７は、正孔輸送性物質と、その物質に対して電子受容性を示す物質と含む層を有する。正孔輸送性物質は、電子よりも正孔の輸送性が高い物質であり、例えば、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：α−ＮＰＤ）、４，４’−ビス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＴＰＤ）、４，４’，４’’−トリス（Ｎ，Ｎ−ジフェニルアミノ）トリフェニルアミン（略称：ＴＤＡＴＡ）、４，４’，４’’−トリス［Ｎ−（３−メチルフェニル）−Ｎ−フェニルアミノ］トリフェニルアミン（略称：ＭＴＤＡＴＡ）、４，４’−ビス［Ｎ−｛４−（Ｎ，Ｎ−ジ−ｍ−トリルアミノ）フェニル｝−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（略称：ＤＮＴＰＤ）等の芳香族アミン化合物や、フタロシアニン（略称：Ｈ２Ｐｃ）、銅フタロシアニン（略称：ＣｕＰｃ）、バナジルフタロシアニン（略称：ＶＯＰｃ）等のフタロシアニン系材料等の有機化合物を用いることができる。正孔輸送性物質に対して電子受容性を示す物質は、例えば、モリブデン酸化物、バナジウム酸化物、レニウム酸化物等の金属酸化物を用いることができる。
ホール輸送性有機半導体層３０７の形成方法は、たとえば蒸着法やスピンコート法、印刷法やインクジェット法などを用いればよい。しかしホール輸送性層の材料や作製方法は、これに限定されない。
発光層には、発光物質が、発光物質の有するエネルギーギャップよりも大きいエネルギーギャップを有する物質からなる層中に、分散して含まれた層を有すればよい。なお、発光物質とは、発光効率が良好で、所望の発光波長の発光をし得る物質である。なお、エネルギーギャップとはＬＵＭＯ準位とＨＯＭＯ準位との間のエネルギーギャップをいう。
赤色系の発光を得たいときには、発光層に、４−ジシアノメチレン−２−イソプロピル−６−［２−（１，１，７，７−テトラメチルジュロリジン−９−イル）エテニル］−４Ｈ−ピラン（略称：ＤＣＪＴＩ）、４−ジシアノメチレン−２−メチル−６−［２−（１，１，７，７−テトラメチルジュロリジン−９−イル）エテニル］−４Ｈ−ピラン（略称：ＤＣＪＴ）、４−ジシアノメチレン−２−ｔｅｒｔ−ブチル−６−［２−（１，１，７，７−テトラメチルジュロリジン−９−イル）エテニル］−４Ｈ−ピラン（略称：ＤＣＪＴＢ）やペリフランテン、２，５−ジシアノ−１，４−ビス［２−（１０−メトキシ−１，１，７，７−テトラメチルジュロリジン−９−イル）エテニル］ベンゼン、ビス［２，３−ビス（４−フルオロフェニル）キノキサリナイト］イリジウム（アセチルアセトナート）（略称：Ｉｒ［Ｆｄｐｑ］２ａｃａｃ）等を用いることができる。但しこれらの材料に限定されず、６００ｎｍ以上６８０ｎｍ以下に発光スペクトルのピークを有する発光を呈する物質を用いることができる。
緑色系の発光を得たいときは、発光層に、Ｎ，Ｎ’−ジメチルキナクリドン（略称：ＤＭＱｄ）、クマリン６やクマリン５４５Ｔ、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｑ３）等を用いることができる。但しこれらの材料に限定されず、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下に発光スペクトルのピークを有する発光を呈する物質を用いることができる。
青色系の発光を得たいときは、発光層に、９，１０−ビス（２−ナフチル）−ｔｅｒｔ−ブチルアントラセン（略称：ｔ−ＢｕＤＮＡ）、９，９’−ビアントリル、９，１０−ジフェニルアントラセン（略称：ＤＰＡ）、９，１０−ビス（２−ナフチル）アントラセン（略称：ＤＮＡ）、ビス（２−メチル−８−キノリノラト）−４−フェニルフェノラト−ガリウム（略称：ＢＧａｑ）、ビス（２−メチル−８−キノリノラト）−４−フェニルフェノラト−アルミニウム（略称：ＢＡｌｑ）等を用いることができる。但しこれらの材料に限定されず、４２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下に発光スペクトルのピークを有する発光を呈する物質を用いることができる。
発光層の形成方法は、たとえば蒸着法やスピンコート法、印刷法やインクジェット法などを用いればよい。しかし発光層の材料や作製方法は、これに限定されない。
電子輸送性有機半導体層３０８は、電子輸送性物質と、その物質に対して電子供与性を示す物質とを含む層を有する。なお電子輸送性物質とは、正孔よりも電子の輸送性が高い物質であり、例えば、トリス（８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｑ３）、トリス（４−メチル−８−キノリノラト）アルミニウム（略称：Ａｌｍｑ３）、ビス（１０−ヒドロキシベンゾ［ｈ］−キノリナト）ベリリウム（略称：ＢｅＢｑ２）、ビス（２−メチル−８−キノリノラト）−４−フェニルフェノラト−アルミニウム（略称：ＢＡｌｑ）、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾオキサゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＯＸ）２）、ビス［２−（２−ヒドロキシフェニル）ベンゾチアゾラト］亜鉛（略称：Ｚｎ（ＢＴＺ）２）等の金属錯体の他、２−（４−ビフェニリル）−５−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール（略称：ＰＢＤ）、１，３−ビス［５−（ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−１，３，４−オキサジアゾール−２−イル］ベンゼン（略称：ＯＸＤ−７）、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−フェニル−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ＴＡＺ）、３−（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）−４−（４−エチルフェニル）−５−（４−ビフェニリル）−１，２，４−トリアゾール（略称：ｐ−ＥｔＴＡＺ）、バソフェナントロリン（略称：ＢＰｈｅｎ）、バソキュプロイン（略称：ＢＣＰ）、４，４’−ビス（５−メチル−ベンゾオキサゾール−２−イル）スチルベン（略称：ＢｚＯＳ）等を用いることができる。但し、電子輸送性物質はこれらに限定されない。
電子輸送性有機半導体層３０８の形成方法は、たとえば蒸着法やスピンコート法、印刷法やインクジェット法などを用いればよい。しかし電子輸送性層の材料や作製方法は、これに限定されない。
次に電子輸送性有機半導体層３０８の上に、発光素子の陰極３０９を形成する。発光素子の陰極３０９は、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム等の無機導電物を用いて形成すればよい。また陰極に透光性を持たせる場合、上記材料を非常に薄くして形成したり、透明導電材料である酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、ガリウムを添加した酸化亜鉛（ＧＺＯ）、酸化珪素を含む酸化インジウムスズ（ＩＴＳＯ）を用いることができる。なお本発明の陰極材料は、これらに限定されない。
発光素子の陽極３０５、ホール輸送性有機半導体層３０７、発光層、電子輸送性有機半導体層３０８、発光素子の陰極３０９により構成される部分を発光素子３１０とする。
次に、有機半導体装置形成領域３０６の上で、チャネルを形成する位置に有機半導体層３１１を形成する。すなわち有機半導体層の単結晶を形成する領域に選択的に有機半導体層３１１を形成する。有機半導体層３１１を設ける結果、その上に有機半導体層の単結晶を効率的に形成することができ、その領域から単結晶を成長させることができる。
有機半導体層３１１はチャネルとして機能する材料から形成すればよく、具体的には上記実施の形態で示した材料から選ぶことができる。このような有機半導体層３１１は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚となるように形成する。有機半導体層３１１は、蒸着法、インクジェット法、印刷法、又はスタンプ法などを用いて形成すればよい。しかし本発明の有機半導体層３１１の作製方法は、これに限定されない。
有機半導体層３１１は、後に形成される有機半導体層の単結晶と、同程度の結晶状態の有機半導体層を用いると、本発明の効果を引き出すことができる。例えば後に形成する有機半導体層として、有機半導体層の単結晶を用いる場合、有機半導体層３１１には単結晶状態や多結晶状態のように結晶性の高い有機半導体層を用いるとよい。また有機半導体層の多結晶を形成する場合、有機半導体層３１１は多結晶状態を有する有機半導体層を用いるとよい。
次に有機半導体層３１１の上に、結晶性の高い有機半導体層として有機半導体層の単結晶３１２を形成し、有機トランジスタ３１３を完成させる。有機半導体層の単結晶３１２成膜方法は、上記実施の形態と同様に例えばフタロシアニン（Ｈ２Ｐｃ）、フタロシアニン銅（ＣｕＰｃ）、チタニルフタロシアニン（ＴｉＯＰｃ）、バナジルフタロシアニン（ＶｏＰｃ）などのフタロシアニン系材料、アントラセン、テトラセン、ペンタセンなどのアセン系材料、セキシチオフェン（α−６Ｔ）、クォーターチオフェン（α−４Ｔ）などのチオフェンオリゴマー系材料、その他フラーレン（Ｃ６０）、ペリレン等の材料を用いて、気相輸送法により形成することができる。また本発明は、あらかじめ有機半導体層３１１を成膜しているため、有機半導体層の単結晶３１２を選択的、効率的に形成することができ、結晶成長させることができる。
このような発光素子３１０および有機トランジスタ３１３を用いて、有機半導体装置３１４を構成する。
さらに、基板３０１上に複数の有機半導体装置３１４を含む場合にも同様の工程を経て表示装置３１５を形成することができる（図５）。
以上のようにして、作製した本発明の有機半導体装置３１４は、有機半導体層３１１をあらかじめ成膜しているため、有機半導体層の単結晶３１２を選択的に形成し、その後結晶成長させることができる。当該単結晶をチャネル形成領域として用いることができ、キャリア移動度を高めることができる。
さらに、有機半導体層の単結晶３１２だけではチャネル面積に対し基板と平行方向の結晶の成長が十分に行われない場合、有機半導体層の単結晶３１２の下方に形成した有機半導体層３１１は、チャネルとして機能するため、歩留まりを向上させることができる。
また有機半導体層３１１を設けることにより有機半導体層の単結晶３１２とゲート絶縁体層３０３との密着性を改善することができる。その結果、有機トランジスタ３１３のオフ電流を低下させることができる。また有機半導体層３１１によって、有機半導体層の単結晶３１２とソース電極３０４、ドレイン電極３０５との接触を改善することができる。その結果、キャリアの注入障壁を低下させて、オン電流を増大させ、閾値電圧のシフトを低減させることができる。本実施の形態は上述の実施の形態と自由に組み合わせ可能である。
（実施の形態４）
本発明の有機トランジスタは、テレビジョン装置（単にテレビ、又はテレビジョン受信機ともよぶ）、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のカメラ、携帯電話装置（単に携帯電話機、携帯電話とも呼ぶ）、ＰＤＡ等の携帯情報端末、携帯型ゲーム機、コンピュータ用のモニター、コンピュータ、カーオーディオ等の音響再生装置、家庭用ゲーム機等の記録媒体を備えた画像再生装置等に実装することができる。特に画素部のスイッチング用トランジスタとして適用することができる。このような電子機器の具体例について、図８を参照して説明する。
図８（Ａ）に示す携帯電話機は、本体９１０１、表示部９１０２等を含んでいる。表示部９１０２のスイッチング用トランジスタとして、本発明の有機トランジスタを実装することができる。その結果、キャリア移動度の高い有機トランジスタが実装され、低温プロセスによって作製された携帯電話機を提供することができる。
図８（Ｂ）に示す携帯型のコンピュータは、本体９４０１、表示部９４０２等を含んでいる。表示部９４０２のスイッチング用トランジスタとして、本発明の有機トランジスタを実装することができる。その結果、キャリア移動度の高い有機トランジスタが実装され、低温プロセスによって作製された携帯型のコンピュータを提供することができる。
図８（Ｃ）に示すテレビジョン装置は、本体９５０１、表示部９５０２等を含んでいる。表示部９５０２のスイッチング用トランジスタとして、本発明の有機トランジスタを実装することができる。その結果、キャリア移動度の高い有機トランジスタが実装され、低温プロセスによって作製されたテレビジョン装置を提供することができる。
図８（Ｄ）に示すカードは、支持体９５４１、表示部９５４２、支持体９５４１内に組み込まれたメモリ等の集積回路チップ９５４３等を含んでいる。表示部９５４２のスイッチング用トランジスタとして、本発明の有機トランジスタを実装することができる。その結果、キャリア移動度の高い有機トランジスタが実装され、低温プロセスによって作製されたカードを提供することができる。
本発明は、キャリア移動度の高い有機トランジスタを、電子機器の画素部のスイッチング用トランジスタに適用することができる。そして、電子機器の低消費電力化、低コスト化を図ることができる。本実施の形態は上述の実施の形態と自由に組み合わせ可能である。
本実施例では、本発明の実施により良好な有機トランジスタ特性が得られることを説明する。
石英基板１０１の上に、タングステンを１００ｎｍスパッタ法により形成した。このタングステンをフォトリソグラフィ法により加工してゲート電極１０２を形成した。ゲート電極１０２の上にＣＶＤ法によりＳｉＯＮのゲート絶縁体層１０３を形成した。
ゲート絶縁体層１０３の上にタングステンを１００ｎｍスパッタ法により形成し、フォトリソグラフィ法により加工して、ソース電極１０４、ドレイン電極１０５を形成した。ソース電極、ドレイン電極のチャネル長は５μｍ、チャネル幅は８ｍｍであった。
ゲート絶縁体層１０３、ソース電極１０４およびドレイン電極１０５の上に、蒸着法により有機半導体ペンタセンを２．５ｎｍ形成して有機半導体層１０７とした。
次に有機半導体層１０７上に気相輸送法を用いて有機半導体層の単結晶１０８を形成した。本実施例１ではペンタセンの単結晶を気相輸送法により形成した。有機半導体の物性は数ｐｐｍの僅かな不純物の混入によって大きく影響を受けるため、有機半導体層の単結晶の成長を行うには十分な精製を行う必要がある。有機化合物の精製には、個々の化合物と不純物の化学的性質の違いを利用して最適な精製を行うことが肝心であり、本実施例では単結晶とするペンタセンは昇華精製法により６回以上精製したものを用いた。最終的な不純物の混入の指標として、有機半導体層の純度を９９．９％以上にすることが望ましい。
この試料を用いてペンタセンの気相輸送法による単結晶の成長を行った。気相輸送法とは温度勾配をつけたガラス管にキャリアガスをゆっくりと流して、高温部で昇華した試料をキャリアガスに乗せて輸送し結晶成長させる方法である。本実施例では、ガラス管内を真空排気し、Ａｒのキャリアガスを１０ｍｌ／ｍｉｎで流してガラス管内の真空度が２５Ｐａ程度となるようにし、試料であるペンタセンを２２０度に加熱した。昇華したペンタセンがＡｒのキャリアガスにより輸送され、有機半導体層１０７であるペンタセン上に選択的に単結晶を得ることができた。
図６には、有機トランジスタ１０９の状態を示す。図６（Ａ）において、点線部より左側は有機半導体層１０７であるペンタセンの未成膜の領域であり、右側は有機半導体層１０７であるペンタセンが膜厚２．５ｎｍで成膜された領域である。図６（Ｂ）には有機半導体層の単結晶１０８を成膜した状態を示す。有機半導体層１０７であるペンタセンの未成膜の領域では有機半導体層の単結晶１０８が成膜されていないが、有機半導体層１０７であるペンタセンを成膜した領域では有機半導体層の単結晶１０８が成膜されているのがわかる。有機半導体層１０７であるペンタセンを設けることにより効率的、選択的に有機半導体層の単結晶１０８が成膜されているのがわかる。
したがって良質な有機半導体層の単結晶を得るためには、適切なキャリアガスの選定、および流量の制御、ガラス管の温度勾配の分布の調整、過飽和度（平衡蒸気圧と実際の蒸気圧のずれの度合い）の制御などの条件を揃える事で、より大型で良質な単結晶を得ることができ、効果的に実施できる。このように有機半導体層１０７であるペンタセン上に、有機半導体層の単結晶１０８を形成し、有機トランジスタ１０９を作製した。
有機トランジスタ１０９を真空下、室温にて測定を行った。有機トランジスタ１０９をクライオスタット内にセットしてロータリーポンプにより１．０×１００Ｐａ以下まで排気して測定をおこなった。測定したＩｄ−Ｖｇ特性を図７に示す。ドレイン電圧を−１０Ｖに固定して、ゲート電圧を−３０Ｖ以上３０Ｖ以下に印加して測定を行った結果である。
本発明によって、ペンタセンの有機半導体層を挿入することにより、ゲート絶縁体層とペンタセンの単結晶との密着性が改善されて、オフ電流が１０−１１Ａまで低減されている。
また、ソース電極、ドレイン電極とペンタセンの単結晶との接触を改善した結果、キャリアの注入障壁を低下させて、オン電流を増大させ、閾値電圧のシフトを低減させることができる。また、ペンタセンの有機半導体層１０７を単結晶の被形成面にあらかじめ成膜しているため、ペンタセンの単結晶１０８だけでは不完全なチャネル形成になることを防止して、ペンタセンの有機半導体層１０７がチャネル未形成部を補償するチャネルとして動作し、歩留まり良く有機トランジスタ１０９を得ることができた。またペンタセンの単結晶を選択的に成長させ、有機半導体材料（ペンタセン）のロスを低減することが出来た。
本発明の有機トランジスタの作製工程および断面図を記した図である。 本発明の有機トランジスタの作製工程および断面図を記した図である。 本発明の表示素子基板の断面図である。 本発明の有機半導体装置の断面図である。 本発明の表示装置の断面図である。 本発明の有機トランジスタの単結晶の成長位置の選択性を記した図である。 本発明の有機トランジスタのトランジスタ特性を示した図である。 本発明の有機トランジスタを実装した電子機器を示した図である。 本発明の有機トランジスタの断面図を記した図である。
符号の説明
１０１ 基板
１０２ ゲート電極
１０３ ゲート絶縁体層
１０４ ソース電極
１０５ ドレイン電極
１０６ 有機トランジスタ形成領域
１０７ 有機半導体層
１０８ 単結晶
１０９ 有機トランジスタ
１１０ 有機半導体装置
２０１ 基板
２０２ ゲート電極
２０３ ゲート絶縁体層
２０４ 有機トランジスタ形成領域
２０５ 有機半導体層
２０６ 単結晶
２０７ ソース電極
２０８ ドレイン電極
２０９ 有機トランジスタ
２１０ 有機半導体装置
３０１ 基板
３０２ ゲート電極
３０３ ゲート絶縁体層
３０４ ソース電極
３０５ 陽極
３０６ 有機半導体装置形成領域
３０７ ホール輸送性有機半導体層
３０８ 電子輸送性有機半導体層
３０９ 陰極
３１０ 発光素子
３１１ 有機半導体層
３１２ 単結晶
３１３ 有機トランジスタ
３１４ 有機半導体装置
３１５ 表示装置
９０１ 基板
９０２ ソース電極
９０３ ドレイン電極
９０４ 有機半導体層
９０５ 有機半導体層
９０６ ゲート絶縁体層
９０７ ゲート電極
９０８ 有機トランジスタ
９１１ 基板
９１２ 有機半導体層
９１３ 有機半導体層
９１４ ソース電極
９１５ ドレイン電極
９１６ ゲート絶縁体層
９１７ ゲート電極
９１８ 有機トランジスタ
９１０１ 本体
９１０２ 表示部
９４０１ 本体
９４０２ 表示部
９５０１ 本体
９５０２ 表示部
９５４１ 支持体
９５４２ 表示部
９５４３ 集積回路チップ

Claims (8)

  1. ゲート電極と、
    前記ゲート電極上のゲート絶縁体層と、
    前記ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極上の第１の有機半導体層と、
    前記第１の有機半導体層上の第２の有機半導体層と、を有し、
    前記第１の有機半導体層と前記第２の有機半導体層とは同一の材料から形成されており、
    前記第１の有機半導体層は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚であり、
    前記第２の有機半導体層は、前記第１の有機半導体層より結晶性が高いことを特徴とする半導体装置。
  2. ゲート電極と、
    前記ゲート電極上のゲート絶縁体層と、
    前記ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極上の第１の有機半導体層と、
    前記第１の有機半導体層上の第２の有機半導体層と、を有し、
    前記第１の有機半導体層と前記第２の有機半導体層とは同一の材料から形成されており、
    前記第１の有機半導体層は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚であり、
    前記第２の有機半導体層は、前記第１の有機半導体層より結晶粒が大きいことを特徴とする半導体装置。
  3. ゲート電極と、
    前記ゲート電極上のゲート絶縁体層と、
    前記ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極上の第１の有機半導体層と、
    前記第１の有機半導体層上の第２の有機半導体層と、を有し、
    前記第１の有機半導体層と前記第２の有機半導体層とは同一の材料から形成されており、
    前記第１の有機半導体層は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚であり、
    前記第１の有機半導体層は多結晶又は非晶質を有し、
    前記第２の有機半導体層は単結晶を有することを特徴とする半導体装置。
  4. ゲート電極と、
    前記ゲート電極上のゲート絶縁体層と、
    前記ゲート絶縁体層を介して前記ゲート電極上の第１の有機半導体層と、
    前記第１の有機半導体層上の第２の有機半導体層と、を有し、
    前記第１の有機半導体層と前記第２の有機半導体層とは同一の材料から形成されており、
    前記第１の有機半導体層は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚であり、
    前記第１の有機半導体層は非晶質を有し、
    前記第２の有機半導体層は多結晶を有することを特徴とする半導体装置。
  5. ゲート電極と、
    前記ゲート電極上のゲート絶縁体層と、
    前記ゲート絶縁体層上の、第１の電極及び第２の電極と、
    前記第１の電極上の一部に設けられた発光層と、
    前記発光層上の第３の電極と、
    前記第１の電極及び前記第２の電極に接し、かつ、少なくとも前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記ゲート絶縁体層上に設けられた第１の有機半導体層と、
    前記第１の有機半導体層上の第２の有機半導体層と、を有し、
    前記第１の有機半導体層と前記第２の有機半導体層とは同一の材料から形成されており、
    前記第１の有機半導体層は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚であり、
    前記第２の有機半導体層は、前記第１の有機半導体層より結晶性が高いことを特徴とする半導体装置。
  6. ゲート電極と、
    前記ゲート電極上のゲート絶縁体層と、
    前記ゲート絶縁体層上の、第１の電極及び第２の電極と、
    前記第１の電極上の一部に設けられた発光層と、
    前記発光層上の第３の電極と、
    前記第１の電極及び前記第２の電極に接し、かつ、少なくとも前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記ゲート絶縁体層上に設けられた第１の有機半導体層と、
    前記第１の有機半導体層上の第２の有機半導体層と、を有し、
    前記第１の有機半導体層と前記第２の有機半導体層とは同一の材料から形成されており、
    前記第１の有機半導体層は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚であり、
    前記第２の有機半導体層は、前記第１の有機半導体層より結晶粒が大きいことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一において、
    前記第１の有機半導体層と前記第２の有機半導体層とは、アセン系材料、チオフェン−オリゴマー系材料、フラーレン（Ｃ６０）、ペリレン及び芳香族アミン化合物から選ばれる材料をそれぞれ含むことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一に記載の半導体装置を備えた電子機器。
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