JP4996846B2 - 電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は有機半導体を用いた薄膜トランジスタ及び薄膜トランジスタの製造方法に関わり、特にチャネルを形成する有機半導体が有機分子の単結晶、又は多結晶であり、かつ、単結晶の方位がチャネル両端の電極を結ぶ方向に対し特定の方向を向いた構造を有すること、又は多結晶を構成する結晶粒がチャネル両端の電極を結ぶ方向に対し特定の方向に配向した構造を持つことを特徴とするトランジスタ、及びその製造方法に関する。

液晶や有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子を用いた薄型表示装置では、画素を駆動する素子として、アモルファスシリコン、又は多結晶シリコンをチャネルに用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が使用されている。一方、有機ＥＬを画素に使用した表示装置では、可塑性のある表示装置の実現や製造コスト低減の為、駆動回路に使用するＴＦＴも有機物で形成することを目的とした研究が広くなされている。アモルファスシリコンや多結晶シリコンを用いたＴＦＴは可塑性が無い為、これらを使用した表示装置も可塑性を持たせることが出来ない。また、製造プロセスに真空設備を使う為、製造コストも高くなる。ＴＦＴを有機物で形成することが可能であれば、可塑性のある表示装置が実現可能である。また、使用する有機物によっては印刷技術等の所謂ウェットプロセスによって製造可能であり、製造に真空設備が必要なくなることから製造コストの低減も実現できる。

有機分子はモノマーやオリゴマーの様に分子量の小さい有機分子（低分子）と、ポリマーに分類される分子量の大きな有機分子（高分子）に大別される。有機分子でチャネルを形成したＴＦＴ（有機ＴＦＴ）も、チャネルがどちらの分子で形成されるかにより２種類に大別できる。低分子をチャネルに使用する有機ＴＦＴは、有機分子の結晶性を良好に保つことが出来れば、チャネルを流れるキャリアの移動度をアモルファスシリコンと同程度まで上げられることが実証されており、有機ＴＦＴとして動作速度の速いＴＦＴを得やすい特長を持つ。しかし、チャネルの形成には有機分子の真空蒸着が一般的に用いられる為、製造コストを下げにくい欠点を持つ。一方、高分子をチャネルに使用する有機ＴＦＴは、製造にウェットプロセスの適用が容易である為、製造コストを低減できる。しかし、チャネルを流れるキャリアの移動度は低分子をチャネルに使用する有機ＴＦＴに比べ、せいぜい１／１０程度の大きさしか実現できておらず、ＴＦＴの性能が低いという欠点を持つ。

一般に、有機分子をチャネルに用いた場合、ＴＦＴの動作速度がシリコン系のＴＦＴに比べ遅い、という課題がある。これはチャネルを流れるキャリアの移動度が小さいことが原因であり、チャネル内でのキャリアの散乱が大きな原因の一つであることが知られている。キャリアの散乱を低減する為、低分子ではチャネルを形成する結晶の結晶粒を大きくし、チャネル両端の電極間をキャリアが伝導する時に経由する結晶粒界の数を少なくすることが広く行なわれる。チャネルに単結晶を用いることは、粒界の影響を排除できる為、最も望ましい。高分子の場合、チャネルを流れるキャリアと平行方向に高分子をできる限り伸張させることにより、高分子内でのキャリア散乱を低減することが一般的である。

可塑性のある表示装置を実現するためには、画素を駆動する周辺回路も含めて可塑性を持つ必要がある。画素を駆動する回路に使用するＴＦＴは１０V・ｓ／ｃｍ^２程度以上のキャリア移動度を有するものが要求されるが、現状でこの要求を満たすことが実証されている有機ＴＦＴは、分子量の小さな有機分子をチャネルに用いたＴＦＴのみである。例えば、非特許文献１では、ｒｕｂｒｅｎｅ分子の単結晶をチャネルに用いた有機ＴＦＴで１５（ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）のキャリア移動度が得られている。また、非特許文献２では、高純度化したｐｅｎｔａｃｅｎｅ分子の単結晶に対し、室温で３５（ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）のキャリア移動度が報告されている。しかし、こうした高い移動度は単結晶試料に対してのものであり、単結晶やＴＦＴ試料の作製に特別な注意を払って得られるものである。低分子をチャネルに用いる場合、より一般的には、真空蒸着により形成された有機分子の薄膜結晶を用いるが、この方法ではチャネルに単結晶を形成することは難しく、また、真空を使う為、コストや量産性の面で不利である。

このように有機ＴＦＴは、アプリケーション側から要求される性能と、生産面から要求されるコスト及び量産性を両立できないという課題を有する。即ち、ＴＦＴの性能を上げ易い低分子からなる有機ＴＦＴは製造に真空蒸着を用いることが一般的であり、製造面で不利である。一方、製造コストを抑え易い、高分子からなる有機ＴＦＴは、ＴＦＴの性能が著しく低く、限られた用途にしか適用することができない。

こうした課題を解決する手段として、低分子を溶媒に溶解し、塗布することによりチャネルの半導体層を形成する方法がある。低分子のＴＦＴへの適用例として最も代表的な有機分子であるｐｅｎｔａｃｅｎｅについては、例えば、非特許文献３及び４では、ｐｅｎｔａｃｅｎｅ分子の誘導体を合成し、溶媒に対する溶解性を上げた溶液を用いて薄膜を形成する技術について報告している。また、非特許文献５では、ｐｅｎｔａｃｅｎｅ分子を直接溶媒に溶解して塗布により薄膜を形成する技術についての記述がある。更に非特許文献２及び６にもｐｅｎｔａｃｅｎｅ分子を有機溶媒に溶解する手順についての記述がある。これらの技術により低分子有機薄膜を真空装置を使わずに塗布により成膜することが可能であり、要求される性能を低コストで実現できる可能性が開ける。

サイエンス誌、第３０３巻、第１６４４項（２００４年）（Science, 303, 1644(2004)） アプライドフィジクスレタース誌、第８４巻、第３０６１項（２００４年）（Applied Physics Letters, 84, 3061(2004)） ジャーナルオブアプライドフィシクス誌、第７９巻、第２１３６項（１９９６年）（Journal of Applied Physics, 79, 2136(1996)） ジャーナルオブアメリカンケミカルソサイアティ誌、第１２４巻、第８８１２項、（２００２）（Journal of American Chemical Society, 124, 8812(2002)）. シンセティックメタルス誌，第１５３巻，第１項（２００５年）(Synthetic Metals, 153, 1(2005)) ジャパニーズジャーナルオブアプライドフィジクス誌、第４３巻、第２Ｂ号、第Ｌ３１５項（２００４）(Japanese Journal of Applied Physics, 43, L315(2004))

しかし、上記の塗布技術をもって課題が全て解決されるわけではない。即ち、塗布により半導体層を形成する場合、非特許文献３，４及び５にあるような従来の技術だけでは、溶液を塗布する領域を限定する技術が提供されていない為、基板上の任意の位置にＴＦＴを形成することができない。また、形成された半導体の結晶粒の大きさや配向を制御することは不可能であった。従って、ＴＦＴのデバイス特性、デバイス間の特性の均一性、ひいては信頼性を向上させることは困難であった。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたもので、特定の結晶方位がチャネルを流れるキャリアの伝導方向に配向した半導体有機分子結晶よりなることを特徴とする、もしくは前記キャリア移動方向に結晶粒サイズが大きく成長したチャネル層を有することを特徴とするＴＦＴを提供することである。

本発明は、そのため、半導体有機分子を溶解させた溶液を用い、前記半導体有機分子の結晶を、配向や結晶粒サイズを制御してＴＦＴのチャネルの位置に形成し、特定の結晶方位がチャネルを流れるキャリアの伝導方向に配向した半導体有機分子結晶よりなり、もしくは前記キャリア移動方向に結晶粒サイズが大きく成長したチャネル層を有するものとする。

本発明によれば、基板上に付与したある種のパターンを用い、半導体有機分子溶液の基板上での乾燥に異方性を持たせることにより、溶液から成長する有機分子結晶薄膜を形成する結晶粒の成長方向や配向を制御することが出来る。これにより、チャネルを流れるキャリアの移動度を向上させることが出来る。液体から半導体有機分子結晶を成長させる場合、結晶の配向や成長方向の制御を安価に実現するには、半導体有機分子を溶解させた溶液の乾燥過程を制御する必要があり、この目的を安価に達成するには基板上に付与したパターンを用いることが最も現実的である。この方法により、塗布法やインクジェット法を始めとする印刷法を用いて安価且つ容易に、キャリア移動度の大きな有ＴＦＴを同一基板上に複数形成することが出来る。

（実施例１）
図１（ａ）は本発明の実施例１に係るＴＦＴの構造を模視的に示す平面図である。図１（ｂ）はそのＡ−Ａ位置において矢印方向に見た断面を示す。

図１（ａ）において、１５_１，１５_２はソース／ドレイン電極である。１１は半導体有機分子結晶薄膜であり、高配向した結晶粒から成り、ＴＦＴのチャネル領域１２を形成する。１４は撥液性の高い領域、１９は親液性領域（撥液性の低い領域）である。本発明は、後述するように、撥液性領域１４で囲われた領域内の親液性領域１９のパターンを利用して、親液性領域１９に供給された半導体有機分子溶液の乾燥方向を規定し、成長する結晶の配向・結晶粒サイズを制御するものである。したがって、ソース／ドレイン電極１５_１，１５_２、半導体有機分子結晶薄膜１１の部分と親液性領域１９の領域とは一致するが、図では、親液性領域１９を分かりやすく表示するために少し大きく表示した。

図１（ｂ）において、１６は基板であり、その上面にゲート電極１３が形成された後、絶縁膜１７が形成される。絶縁膜１７上に、図１（ａ）で説明した撥液性領域１４および親液性領域１９を形成する。この親液性領域１９は、ゲート電極１３と対応する位置になるように位置合わせがなされる。親液性領域１９を利用して、チャネル１２に配向した半導体有機分子薄膜を形成した後、ソース／ドレイン電極１５_１，１５_２を形成する。ここで述べた処理手順については、後で、より具体的に説明する。

本発明では、ソース・ドレイン電極１５_１，１５_２を結ぶチャネル１２の幅が、一方の電極から他方の電極に向かって変化していることが特徴である。

図２（ａ）−（ｅ）は、本発明における半導体有機分子を含む溶液の異方的な乾燥過程による、高配向結晶の成長過程を説明する図である。

図２（ａ）に示すように、ＴＦＴパターンを形成するための親液性領域１９を撥液性領域１４で囲った表面を準備する。親液性領域１９の中にはチャネル１２とその両側にソース／ドレイン電極部が形成されるものとする。

図２（ｂ）に示すように、この親液性領域１９に、吐出機構を使用して、半導体有機分子を溶解させた溶液２３を供給する。吐出機構としては、例えばスポイトやマイクロピペットの様な先端に細い径の穴の開いたものや、金属製の針を用いたもの、インクジェットプリンタのインク吐出ヘッドの様なもの等で良い。吐出機構には吐出位置を制御する機構及び吐出する溶液の吐出量を制御する機構があることが望ましい。使用する溶媒、撥液領域と親液性領域の撥液性の差によっては、吐出機構を用いず、基板全体を溶液の中に浸すことにより溶液を基板上に供給することも可能である。供給された溶液２３は、親液性領域１９の周辺部が撥液性領域１４であるため、ＴＦＴパターンを形成する親液性領域１９内に留まる。撥液性領域１４、親液性領域１９の形成は公知の方法によれば良い。さらには、親液性領域１９が周辺部に対して低くなるように段差を設けるとともに、周辺部を撥液性領域に加工するのが良い。

図２（ｃ）に示すように、親液性領域１９に供給された溶液２３は乾燥により液量が減って行くが、幅の狭い領域から乾燥が始まり、幅の広い領域には溶液が残る。これは、流体が表面エネルギーを最小とする様、形状を変形する性質による。即ち、供給された流体が親液性領域の幅の狭い一方の領域に存在するよりも、より幅の広いもう一方の領域に存在した方が表面エネルギーが小さい為、残存する液体は自ずと幅の広い領域に残り、乾燥は幅の狭い領域から始まることになる。幅の狭い領域から乾燥した溶液からは半導体有機分子の結晶が成長する。乾燥は幅の狭い領域から広い領域に向かって徐々に進行し、それに伴い結晶が成長する。乾燥が親液パターンの一方から進行し、自ずと他方へ到達する様、親液パターンの幅をチャネルのいずれかの方向に対して変化させることが必要である。

図２（ｄ）に示すように、溶液２３がチャネルの一方からもう一方へ向かい乾燥した結果、チャネル１２には溶液２３に溶解していた半導体有機分子１１が、溶液の乾燥の進行方向に並行に配向されて成長する。即ち、チャネル１２に高配向された半導体有機分子結晶１１を配置することができる。

図２（ｅ）に示すように、ソース・ドレイン電極１５_１，１５_２に対応した領域で乾燥した溶液から成長した半導体有機分子結晶薄膜１１の両端部にソース／ドレイン電極を担う金属薄膜１５_１，１５_２を形成する。金属薄膜を半導体有機分子結晶薄膜１１の上に形成することにより、チャネル１２とソース・ドレイン電極１５_１，１５_２の電気的な接触を良好にできる。なお、このことにより、ソース・ドレイン電極１５_１，１５_２の接着性が損なわれることはない。もちろん、金属薄膜１５_１，１５_２の全領域が半導体有機分子結晶１１と重なる必要は無く、電気的な接続が十分となる広さでよい。

図３Ａに、本実施例にあるような半導体有機分子を含む液体の異方的な乾燥過程で形成されたペンタセン結晶の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す。液体の乾燥方向である右から左に向かって結晶粒が配向して大きく成長している。図３Ｂには液体の乾燥方向が十分に異方的でなかった場合に成長したペンタセン結晶のＡＦＭ像を比較として示した。

（実施例２）
図４は一組のソース・ドレイン電極１５_１，１５_２に対し、平行に並んだ複数の領域の組み合わせにより複数のチャネル１２が基板上に形成されている実施例２を模式的に示す平面図である。図４の例は、撥液領域１４の中に親液性領域１９を設け、ここに、チャネル１２、及び、その両側にソース・ドレイン電極１５_１，１５_２を形成する点では実施例１と同じであるが、実施例１と同じように長軸方向に沿って幅が変化する複数のチャネル１２がチャネル領域１２’に並列に複数形成されている点で実施例１と異なる。チャネル領域１２’を、全面的に親液性領域とするのではなく、幅の狭い、両端の丸まった長方形の撥液領域１４を複数個残し、これが、相互に所定の角度傾いたものとされる。したがって、隣接する長方形の撥液領域１４間には長軸方向に沿って幅が変化する親液性領域が複数個、平行に並ぶように形成される。

したがって、基板上に半導体有機分子の溶液を供給すると、親液性領域１９に溶液が残り、チャネル領域１２’の隣接する長方形の撥液領域１４間の長軸方向に沿って幅が変化する親液性領域に対応する位置では、溶液が異方的に乾燥し、夫々の親液性領域で長軸方向に配向した半導体有機分子結晶薄膜が形成され、チャネル１２を構成する。

この例によれば、チャネル幅を実効的に太くすることが可能であるとともに、溶液が異方的に乾燥するのに効果的な構造であるので、質の良い長軸方向に配向した半導体有機分子結晶薄膜が形成できる。これは単一のＴＦＴで電流駆動力を増加させる効果を持つ。

（実施例３）
図５（ａ）−（ｅ）は、本発明によるＴＦＴを、チャネルの半導体有機分子結晶薄膜以外は無機材料を用い、図４に示すチャネル１２を備える構造として構成する具体例を示す図である。図は左側に断面図を、右側に平面図を示した。

図５（ａ）に示す様に、シリコン基板１６上にゲート電極１３を形成する。この為、シリコン基板１６上に熱酸化膜１７を形成し、この上に、スパッター蒸着により膜厚３０ｎｍのアルミ薄膜を成膜し、これをゲート電極１３とする。ゲート電極１３の大きさは、チャネル長５００μｍ、チャネル幅は５００μｍ幅に対応するものとした。

次に、図５（ｂ）に示す様に、２０ｎｍ厚の酸化シリコン絶縁膜５１をゲート電極１３の上にスパッター蒸着により成膜する。さらに、レジストをスピン塗布しレジスト膜５２を成膜する。レジスト膜５２に、フォトリソグラフィーで用いられる通常の位置合わせ法を用いて、図４に示すチャネル領域１２’のチャネルパターンの反転パターンを形成する。ここでは、ゲート電極１３をチャネル長５００μｍ、チャネル幅は５００μｍ幅に対応するものとしたので、チャネルの幅の狭いチャネルの幅を５０μｍ、チャネル全体で５００μｍ幅とし、チャネルを複数の領域に分割する撥水領域１４は、水平方向に対し交互におよそ±６°傾けた。

次に、図５（ｃ）に示す様に、撥液膜５３形成の為、フッ化アルキル系シランカップリング剤を塗布する。実施例３においては、溶媒パーフロロオクタンで０．１ｗｔ％まで希釈したフッ化アルキル系シランカップリング剤（ダイキン工業、商品名オプツール）をスピン塗布した。この状態で、基板をアセトンに浸してレジストを除去することにより、撥液膜５３のリフトオフを行い、チャネル１２と位置及び形状の一致した撥液パターン及びソース／ドレイン電極外部への溶液の流出を防ぐ撥液膜５３を形成した。なお、チャネル領域１２’の撥液膜５３は、水平方向に対し交互におよそ±６°傾けたものとなっているから、断面の位置によっては途中で切れたものとなるが、煩雑であるので、撥液膜５３の中心位置で断面を取った形で表示した。

次に、ノズルの位置制御機構、溶液の吐出量制御機構、及び溶液の加熱機構の付いた吐出機を用い、窒素雰囲気下でチャネルに半導体有機分子の溶液を供給する。実施例３では非特許文献６にあるように溶媒にＤＭＳＯ（Dimethyl sulfoxide）を用い、ペンタセンを０．１ｗｔ％分散し、１５０℃に加熱して溶解させたものを溶液として用いる。これをノズルを通しておよそ３μリットル供給する。溶液の急激な温度低下による溶液中での結晶成長を防ぐ為、基板は１２０〜１３０℃程度に加熱すると良い。供給された溶液はチャネルの長軸方向に沿って異方的に乾燥し，図５（ｄ）に示す様な、前記長軸方向に配向した半導体有機分子結晶薄膜１１が形成される。半導体有機分子結晶膜形成以降の操作は、半導体層の酸化を防止する為、保護膜を形成するまで窒素ガスや不活性ガス雰囲気下で行なうことが望ましい。

ソース／ドレイン電極に対応する領域に残留した溶液を乾燥させた後、図５（ｅ）に示す様に、電極を形成する為に金属薄膜１５を成膜する。実施例３では、ソース／ドレイン電極に対応する領域に導電性インクを塗布し焼成することにより金属薄膜１５を成膜した。ソース／ドレイン電極部に滴下された導電性インクは、表面エネルギーの利得の関係でチャネルへは流れ込まない。また、電極部外へは、既に形成済みの撥液膜５３（図５（ｃ））により流出することはない。

導電性インクとしては金属超微粒子、金属錯体、または導電性高分子を少なくとも一つ含んだ液体で、ソース／ドレイン電極部の親液性領域に濡れ広がる特性を有し、焼成後に十分低い抵抗値を示すものであればよい。具体的な材料として金、銀、パラジウム、プラチナ、銅、ニッケルなどを主成分とする直径１０ｎｍ程度の金属超微粒子、または金属錯体が、水、トルエン、キシレンその他有機溶剤などの溶媒に分散した溶液を用いることができる。実施例３では銀超微粒子分散水溶液を用いた。導電性インクをソース／ドレイン部が十分被覆されるだけ滴下した後、１２０℃で３０分真空中で焼成し、膜厚１００ｎｍ程の電極を形成した。その他の導電性インクを用いる場合もインクの種類に合わせて８０〜３００℃程度の適正温度で焼成すれば良い。

かくして、実施例３では、図４に例示したチャネル１２の、チャネル部が幅の狭い複数のチャネルの集合として構成されるＴＦＴを構成することができる。

なお、撥液膜５３は、複数のＴＦＴを連続して構成するときは、各ＴＦＴに必要であるわけではなく、連続して構成されるＴＦＴ全体に対して設ければよい。

（実施例４）
図６（ａ）−（ｆ）は、本発明によるＴＦＴを基板や絶縁膜に可塑性を有する材料を用い、リソグラフィーに依らない、印刷や塗布などの安価な方法でＴＦＴを構成する具体例を説明する図である。図６の左側の図は右側の図の断面をＢ−Ｂ’の位置で矢印方向に見た図である。

図６（ａ）に示す様に、プラスチック基板６１上に導電性インクを使用して図４に示すパターンのゲート電極６２を印刷する。ゲート電極６２のパターンは、図４のチャネル領域１２’において撥水領域１４に対応する領域を除いた領域（図４に示すチャネル領域１２’のチャネルパターンの反転パターン）である。これを焼成し金属電極６２を形成するが、基板にプラスチックを用いている為、その軟化温度に注意しなければならない。実施例４では、基板６１に厚さ１００μｍの高透明性ポリイミドシートを用いており、焼成温度は２５０℃程度まで上げられる。そのため、導電性インクに銀超微粒子分散水溶液を用いた場合に必要な焼成温度の１２０℃には十分耐えることができる。

ゲート電極６２の上にポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）をスピン塗布し十分乾燥させ、ゲート絶縁膜６３を形成する。ここではホットプレートを用い１００度で１０分乾燥を行なった。更に、感光性薄膜６４を形成する。実施例４ではポジレジストをスピン塗布し膜厚１００ｎｍの膜を得た。

次に、ソース／ドレイン電極及び図４中ゲート電極部の撥水領域１４に対応する領域を形成する為に撥液パターンを形成する。実施例３と同様の撥液膜、フッ化アルキル系シランカップリング剤をスピン塗布し、図６（ｂ）断面図に矢印で示すように、水銀ランプで紫外線をプラスチック基板６１の面から照射する（図６（ｂ））。実施例４で使用した感光性塗布膜の感光に必要な紫外線は波長３６５ｎｍのｉ線なので、積層したゲート絶縁膜６３（高分子膜−ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）膜）へのダメージを避ける為、３００ｎｍ以下の波長の紫外線はフィルタによりカットして照射することが望ましい。ゲート電極部には金属電極膜６２が既に形成されている為、照射された紫外線はチャネル１２に対応する領域を透過することが出来ず、ゲート電極部の撥水領域１４に対応する領域及びソース／ドレイン電極部のみ感光性薄膜が感光する。３０秒程度の照射後、現像することによりゲート電極部の撥水領域１４に対応する領域とソース／ドレイン電極周辺部の感光性薄膜６４が除去され、その領域の撥水膜６５がリフトオフされる（図６（ｃ））。実施例３と同様な方法により導電性インクを用いてソース／ドレイン電極１５_１，１５_２及びゲート電極部の撥水領域１４に対応する領域に金属膜６６を形成する（図６（ｄ））。再度実施例３と同様にしてフッ化アルキル系シランカップリング剤をスピン塗布して撥液膜を形成する。感光性薄膜の溶剤を用いてレジスト６４を除去することにより図６（ｅ）の様にチャネル以外の領域、すなわち、ゲート電極部の撥水領域１４とソース／ドレイン電極周辺部とに対応する領域６７のみが撥液性を発現する。本実施例では感光性薄膜溶剤としてアセトンを用いた。

半導体有機分子によるチャネル１２の形成は実施例３と同様に行った。こうして親水性の領域では半導体有機分子の層６８が形成され、可塑性を有するＴＦＴを、リソグラフィーを用いない、印刷・塗布等の安価な方法で構成できた。

実施例４において、基板にポリイミド、絶縁膜にＰＭＭＡを用いたが、これ以外にも基板にポリフェニルビニルを始めとする可塑性の各種プラスチック基板を、絶縁膜にもポリイミド、ポリビニルフェノール等を用いても何ら問題はない。また、可塑性を必要としない場合には、基板に無機の絶縁膜を用いることにより、印刷・塗布等の作製プロセスの選択肢が増加する利点を享受することができる。ゲート電極を形成した後、スピンオングラス（ＳＯＧ）により絶縁膜を形成し、ポジレジストをスピンコートし水銀ランプを用いて裏面から紫外線を照射する。ゲート電極により遮光された領域以外のレジストは現像により溶解・除去されるため、レジストパターンはゲート電極と同じパターンとなる。この状態でフッ化アルキル系シランカップリング剤をスピン塗布する。続いて、アセトン等を用いてレジストを除去することによりフッ化アルキル系シランカップリング剤をリフトオフし、所望の撥液パターンを得る。この方法ではＳＯＧの焼成に４５０℃程度の熱処理が必要であること、レジストの除去に有機溶媒を使うことから、基板その他に有機材料を用いている場合には使用することが出来ない。この方法は製造プロセスの手順数が少なくなることや、撥液膜形成の為に金属を必要としないという利点を有する。

なお、金属膜６３は、複数のＴＦＴを連続して構成するときは、各ＴＦＴに必要であるわけではなく、連続して構成されるＴＦＴ全体に対して設ければよい。

（その他の実施例）
図２では、チャネル１２を構成する親液パターン１９の幅がソース・ドレイン電極１５_１，１５_２を結ぶ方向に変化している為、半導体有機分子結晶の配向方向も同方向を向くが、本発明はそれに限るものではない。例えばキャリアがチャネル中を流れる方向に対して垂直な方向のチャネル形状を変化させることにより、チャネル中のキャリア伝導方向に対して垂直な方向を結晶の主配向方向とすることができる。同様にして、チャネル中のキャリア伝導方向に対して任意の方向に主配向面を有する結晶を成長させることが可能である。

親液性領域のパターンは図１や図２に示したように、チャネルの幅が一方向に向かって単調に変化するような形状に限る必要はない。親液性領域に供給された溶液が親液パターンの長軸方向に向かって異方的な乾燥を自発的に生じさせるようなパターンであれば良い。このためには親液パターンの長軸方向のうち、望ましい方向に対して平均的に短軸方向の幅が広がっていれば目的は達せられる。

また、基板上に形成されたソース／ドレイン電極および両電極を結ぶチャネルに対応する領域を周辺部より低く形成するとともに周辺部を撥液性領域とし、基板上に有機分子を含む溶液を供給し、前記ソース・ドレイン電極方向に前記供給された溶液を異方的に乾燥させ、前記溶液中の前記有機分子を前記チャネルに対応する領域に配向させて成長させるものとしても良い。

また、半導体有機分子溶液の供給は、上述したマイクロピペットに代表されるノズルによる方法に限らず、例えば特開２００３−２２９５７９号公報、特開２００３−１３３６９１号公報あるいは特開２００３−８０６９４号公報に開示されるようなインクジェットプリンタを用いた方法が適用可能である。また、電極や配線を形成する方法として、例えば日経エレクトロニクス２００２年６月１７日号、ｐｐ．６７−７８に記載されているような、インクジェット、メッキ、印刷などの所謂直接描画法を用いて製造する方法が近年活発に研究されているが、これらの技術と本発明による技術を組み合わせることにより、従来のフォトリソグラフィーを用いる方法に比べて電子素子をはじめとする電気回路を安価に形成できる利点が期待できる。

実施例３では、ゲート電極材料としてアルミを用いたが、大気下で安定で電気伝導率の良い金属、例えば金、銀、プラチナ、パラジウム、銅、ニッケル、鉄などでも良い。また、実施例３では、基板、絶縁膜夫々に酸化膜付きシリコン、酸化シリコンを用いたが、これに限るものではない。但し、基板は各電極間の漏れ電流を防ぐ為、絶縁性の高いものが望ましい。また、撥液膜材料としてフッ化アルキル系シランカップリング剤を用いたが、少なくとも一部にフッ素基で終端された炭素鎖を有する撥液性分子であれば他の材料でもよく、例えば特開２００１−２７８８７４号公報に開示される、側鎖にフッ素置換基を持つパーフルオロオキセタン等のオキセタン誘導体でもよい。この他、フッ素系表面活性剤によらない撥液膜も用いることが出来る。この場合、選択肢の増加という利点をもたらすが、半導体有機分子溶液に対して撥液性は低下する傾向がある。

実施例２では、チャネルの形成に用いる溶液の自発的かつ異方的な乾燥の促進のために、ＴＦＴのチャネル部とソース／ドレイン電極部のパターンに特徴を持つものとしたが、乾燥過程の制御をパターンの特徴に依らずに行なう方法もある。

例えば基板上のＦＥＴのチャネル方向を、図４とは異なって、幅の変化が長さ方向について全て同じ方向に揃うように構成したときは、ｄｉｐ法や温度勾配、気体の吹付けを用いる方法を使うこともできる。図７に、図４に対応する形で、ＦＥＴのチャネルが幅の変化が長さ方向について全て同じ方向に揃うように構成した形の例を示した。ｄｉｐ法は半導体有機分子を含んだ溶液へ基板を浸しチャネルの長手方向に引き出す方法で、個々のＦＥＴに対して夫々溶液を供給する必要がなく量産性に優れているという特徴を持つ。温度勾配に依る方法は、基板を平らに置きチャネル長手方向に温度勾配が付くように基板両端もしくはチャネル両端に温度勾配を付与すれば良い。この方法は乾燥しにくい溶液を用いる場合に乾燥速度を上げられるという利点を持つ。気体を吹き付ける方法は溶液の供給後にエアガンなどにより気体をチャネル長手方向に向かって吹き付けることにより、乾燥方向を制御する方法である。この方法は加熱が難しい材料を用いる場合や、基板を加熱する必要があり温度勾配の付与が難しい場合などに用いることができる。この他、パターン内部で撥液性に勾配をつけること等によっても半導体有機分子溶液に所望の乾燥過程を課すことができる。撥液性の勾配は、例えば紫外線照射量の制御で可能である。この方法は基板上のＦＥＴのチャネルが同一方向を向いてない場合にも用いることができるという特徴を有する。これらの方法は全てＦＥＴ領域を親液・撥液でパターニングしておく必要があるが、パターンの形状に特徴を持たせる必要がなく、ＦＥＴパターンとして任意のパターンに対して半導体有機分子結晶薄膜の配向性を向上させることができる。

実施例３においては、ソース／ドレイン電極の形成に導電性インクを用いたが、チャネルに有機分子を用いるため、分子の分解や昇華を防ぐ目的で導電性インクの焼成温度を、２５０℃程度に留める必要がある。ソース／ドレイン電極形成方法としては、リソグラフィーを用いる方法も適用可能である。この場合、チャネル部１２’をレジスト等で保護する必要があるが、電極形成後のレジスト除去時にチャネル部１２’を構成する有機分子にダメージを与えないよう注意する必要がある。

実施例３においてはチャネルの形成をソース／ドレイン電極の形成に先立って行った。これにはチャネルを形成する半導体有機分子結晶と電極金属のコンタクトを良好に保つ利点があった。しかし、チャネル形成前にこれらの電極を形成することも可能である。この場合、通常のリソグラフィー法をチャネルへの影響を考慮せずに適用できる利点がある。また、導電性インクの焼成により電極を形成する場合でも焼成温度を有機分子の分解温度以上に設定できる利点がある。

（本発明の応用例）
本発明のＴＦＴを駆動回路に用いたアクディブマトリックス型表示素子の画素ユニットの作製の例を示す。

図８Ａは本発明のＴＦＴを駆動回路に用いた３×３の画素ユニットのアクディブマトリックス型表示素子の等価回路図である。有機エレクトロルミネッセンス素子の駆動回路は、例えば、日経エレクトロニクス誌２０００年４月２４日号、ｐｐ．１６３−１６７にあるように液晶ディスプレイ画素駆動用回路をそのまま用いることは出来ず、液晶用に比べ電流制御用にＴＦＴを一つ余計に必要とする。本応用例においても上記日経エレクトロニクス誌２０００年４月２４日号、ｐｐ．１６３−１６７や、特開２００３−３１６２９５号公報に例があるように一画素当たり二つのＴＦＴを使用する駆動回路とした表示素子について記述する。

６１８は走査線駆動回路で走査線６１５に所定の周期で信号を与える。６１９はデータ線駆動回路でデータ線６１６に画像データ信号を与える。６２０は電流供給回路で電流供給線６１７に走査線６１５と同じ周期で電流を供給する。６１１は、これらの回路で選択的に駆動される画素ユニットである。各画素ユニット６１１は、画素６２１及び画素制御回路から構成されている。画素制御回路は、画素選択ＴＦＴ６１２、電流制御ＴＦＴ６１３、キャパシタンス６１４及び関係する配線で構成される。より画素数の多いディスプレイの場合でも、アクティブマトリクス型であるため、画素ユニットを増やすだけでよい。

図８Ｂは、図８Ａの画素ユニット６１１の具体的な構成例を示す図である。作製方法は実施例４に記載した無機絶縁体基板を用いる方法と同様である。以下、概要を説明する。

まず、ガラス基板に走査線６１５のパターンを有する金属配線を印刷成形する。配線幅は６０μｍとする。走査線６１５は画素選択ＴＦＴ６１２のゲート電極も兼ねる為、実施例３及び４に記述したように所定の位置に画素選択ＴＦＴ６１２のチャネルパターンを形成する為のゲート電極パターンを配置しておく。応用例においても画素選択ＴＦＴ６１２及び電流制御ＴＦＴ６１３のチャネルは実施例３と同じく、図４に示す様にチャネルを複数の領域の集合体として構成する。幅の狭いチャネルのチャネル幅を１０μｍ、チャネル長及びチャネル幅は夫々６０μｍとした。ＳＯＧにより絶縁膜を形成した後、画素選択ＴＦＴ６１２のチャネル形成に先立ちデータ線６１６の配線パターンを作製する。

応用例ではデータ線の反転パターンにレジストが残るようマスクを使い上面露光する。画素選択ＴＦＴ６１２のチャネルに対応する領域に金属が形成されないよう、この領域にもレジストが残るよう注意する。データ線６１６は電流制御ＴＦＴ６１３のゲート電極を兼ねており、画素選択ＴＦＴ６１２形成時と同様、データ線パターンの一部に電流制御ＴＦＴ６１３のチャネルパターンを形成しておく。現像後、導電性インクを用いてデータ線６１６を形成する。応用例で使用する銀超微粒子を用いた導電性インクは焼成温度が１２０℃であるため、焼成後に残存したレジストを除去することができる。

アセトンを用いてレジストを除去した後、画素選択ＴＦＴ６１２のチャネル形成の為、再度ポジレジストをスピン塗布し裏面露光を行なう。これを現像しフッ化アルキル系シランカップリング剤をスピン塗布する。残存したレジストをアセトンで除去して走査線とデータ線６１６を除いた領域に撥液膜を形成する。画素選択ＴＦＴ６１２のチャネル形成方法は実施例３で述べた方法と同様である。

その後、ＳＯＧによる絶縁膜の形成、電流供給線６１７及び画素対向電極６２１、電流制御ＴＦＴ６１３を同様な方法で形成する。絶縁膜形成の為のＳＯＧは半導体層に影響を与えないよう触媒を用い焼成温度を３００℃以下に抑えるようにする。最上層に感光性ポリイミドを塗布し、画素対向電極領域をマスクした状態で上面露光を行なった後、現像し焼成することにより保護膜及び画素対向電極領域にスルーホールを形成できる。その後、例えば特開２００４−４７４９４号公報に開示される方法で画素領域にＥＬ膜を形成し、感光性ＩＴＯ塗料を用いてＩＴＯ膜を形成しこれを上部電極とすれば、画素及びその駆動回路を形成することができる。これに走査線駆動回路６１８、データ線駆動回路６１９電流供給回路６２０を適宜構成すればアクティブマトリクス型表示素子を構成できる。

本応用例においては絶縁膜形成にＳＯＧ、データ線６１６と電流供給線６１７の形成に導電性インクを用いるなど、印刷や塗布による製法を取り入れたが、代わりに通常の半導体素子作製工程で用いられる真空中での成膜法を用いることができることは言うまでもない。通常の半導体素子作製工程を用いることにより、各配線パターンの位置合わせが精密に行える利点がある。

一方、インクジェット様の塗布技術を用いた印刷成形法により各配線パターンを形成することも可能である。この場合、作製工程全てを印刷・塗布法で行なうことが可能であり、製造コストの大幅な低減が可能となる。また、製造ステップも大幅に減少する。印刷・塗布法を用いる場合、各配線パターンの位置合わせ誤差はリソグラフィー法に比べ大きくなってしまうが、画像素子制御回路に要求される位置合わせ誤差は、論理回路などに求められる位置合わせ誤差に比べ要求が大分緩和される為、インクジェットでの位置合わせ誤差の３０μｍ程度であればＴＦＴ領域を除けば問題はない。ＴＦＴ領域に関しては、実施例３においては、下層の配線に刻まれたパターンをチャネル形成に用いる為、下層配線のチャネルパターン位置に上層配線のＴＦＴ領域が来なければならず、位置合わせ精度は、実施例３でのチャネル幅６０μｍ程度の場合、せいぜい数μｍ程度のずれが許される程度である。しかし、これも下層配線に刻まれたチャネルパターンを本来必要な幅よりも余計に準備しておくことで回避できる。刻まれたパターンは配線の機能に対して大きな影響を与えないため、チャネルパターンを余計に準備しておいても本来の配線機能には問題はない。

本発明によれば、チャネルを形成する半導体有機分子の結晶を必要な方向に高配向させることができるので、キャリア移動度の大きなＴＦＴを製造することが可能である。また、本発明ではチャネルの形成に液体を利用するもので、塗布法やインクジェット法により製造可能であることから、容易且つ安価ＴＦＴを製造可能である。

本発明によれば、可塑性を有する基板を用い上記の塗布・印刷技術を適用することによりフレキシブルな表示装置駆動回路を形成できるようになることが期待される。

本発明によれば、チャネルを構成する半導体有機分子薄膜が高配向した高性能の有機ＴＦＴが提供される。

（ａ）は本発明により形成されるＴＦＴの典型的な構造を示す平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ位置において矢印方向に見た断面図である。 （ａ）−（ｄ）は、本発明における半導体有機分子溶液の異方的乾燥を自発的に生じさせることにより、高配向した半導体有機分子結晶薄膜が溶液から成長する過程を模式的に示す図である。 半導体有機分子溶液の異方的な乾燥により形成された、乾燥方向に大きく成長した結晶粒を有するペンタセン結晶の一例を示すＡＦＭ像である。 半導体有機分子溶液の乾燥が十分に異方的でない場合に形成されたペンタセン結晶の一例を示すＡＦＭ像である。 チャネル１２が一組のソース・ドレイン電極に対し、ソース／ドレイン電極を結ぶ方向に沿って幅が変化し、かつ、長軸が概ね平行にそろった複数の領域で形成される例を示す平面図である。 （ａ）−（ｆ）は、本発明によるＴＦＴを形成する場合の、チャネル以外を無機材料を用いて構成する具体例を示す図である。 （ａ）−（ｆ）は、本発明によるＴＦＴを形成する場合の、チャネル以外を無機材料を用いて構成する具体例を示す図である。 チャネル１２が一組のソース・ドレイン電極に対し、ソース／ドレイン電極を結ぶ方向に沿って幅が変化し、幅の変化が長さ方向について全て同じ方向に揃うように構成した形で形成される例を示す平面図である。 本発明のＴＦＴを駆動回路に用いた３×３の画素ユニットのアクディブマトリックス型表示素子の等価回路図である。 図８Ａの画素ユニットの具体的な構成例を示す図である。

符号の説明

１１…半導体有機分子結晶薄膜、１２…チャネル、１３…ゲート電極、１４…撥液領域、１５…ソース／ドレイン電極、１６…基板、１７…絶縁膜、１９…親液性領域、２３…半導体有機分子溶液、５１…ゲート絶縁膜、５２…レジスト、５３…撥液膜、６１…基板、６２…ゲート電極、６３…ゲート絶縁膜、６４…感光性薄膜、６５…撥液膜、６６…撥液領域、６７…撥液膜、６８…半導体有機分子薄膜、６１１…画素ユニット、６１２…画素選択ＴＦＴ、６１３…電流制御ＴＦＴ、６１４…キャパシタンス、６１５…走査線、６１６…データ線、６１７…電流供給線、６１８…走査線駆動回路、６１９…データ線駆動回路、６２０…電流供給回路、６２１…画素対向電極。

Claims (8)

1. 基板上に形成された撥液性領域の中に、ソース／ドレイン電極および両電極を結ぶチャネルに対応する親液性領域を、一方の電極から他方の電極に向けて前記チャネルの幅が変化するよう形成し、前記チャネルに対応する領域に有機分子を含有した溶液を供給して、前記供給された溶液を前記チャネルに対応する前記親液性領域の形状により、異方的な乾燥を自ずと生じさせ、前記チャネル領域に結晶粒が大きく、高配向した結晶を成長させることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
2. 基板上に形成されたソース／ドレイン電極および両電極を結ぶチャネルに対応する親液性領域を周辺部より低く形成するとともに周辺部を撥液性領域とし、基板上に有機分子を含む溶液を供給し、前記供給された溶液を前記撥液性領域に囲まれた、前記チャネルに対応する前記周辺部より低く形成された親液性領域の形状により、異方的な乾燥を自ずと生じさせ、前記ソース・ドレイン電極方向に前記供給された溶液を異方的に乾燥させ、前記溶液中の前記有機分子を前記チャネルに対応する領域に配向させて成長させることを特徴とする電界効果トランジスタの作製方法。
3. 前記溶液の異方的乾燥を生じさせる為に前記基板に温度勾配を付与することを利用する請求項１記載の電界効果トランジスタの製法。
4. 前記溶液の異方的乾燥を生じさせる為に、前記基板に供給した前記溶液の乾燥を気体の流れにより促進する請求項１記載の電界効果トランジスタの製法。
5. 前記溶液の異方的乾燥を生じさせる為に、前記基板を流体に浸した後引き上げる請求項１記載の電界効果トランジスタの製法。
6. 前記チャネル領域とソース／ドレイン電極領域の連続した形状が、供給された溶液の異方的乾燥を誘起し、なおかつ異方的乾燥を促進する様なパターンである請求項１ないし５のいずれかに記載の電界効果トランジスタの製法。
7. 基板、
   該基板上に形成された撥液性領域、
   該撥液性領域の中に形成された、ソース／ドレイン電極および両電極を結ぶチャネルに対応する親液性領域、
   前記チャネルに対応する親液性領域の形状が、チャネルと垂直方向の幅がチャネルの長さ方向に応じて変化していることにより、前記親液性領域に供給された有機分子を含有した溶液に自発的な異方的乾燥が誘起され、前記チャネルに対応する領域に結晶粒が大きく、高配向した結晶が成長した領域が形成されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
8. 絶縁体、
   該絶縁体に形成された撥液性領域、
   該撥液性領域の中に形成された、ソース／ドレイン電極および両電極を結ぶチャネルに対応する親液性領域、
   前記チャネルに対応する親液性領域の形状が、チャネルと垂直方向の幅がチャネルの長さ方向に応じて変化していることにより、前記親液性領域に供給された有機分子を含有した溶液に自発的な異方的乾燥が誘起され、前記チャネルに対応する領域に結晶粒が大きく、高配向した結晶が成長した領域が形成されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。

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