JP5170627B2 - 有機半導体装置の作製方法及び有機半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機半導体装置の作製方法及び有機半導体装置に関する。

有機半導体薄膜電界効果トラジスタを含む有機半導体装置は、近年研究開発が大きく進展し、その構成要素とな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。これらの低分子系有機材料の特徴として、昇華性、溶媒への易溶性などが挙げられ、このような特徴を利用した真空蒸着法や溶媒を用いたキャスト法、インクジェット法などを用いた有機半導体装置の開発・研究が広く行われている。有機半導体からなる電子装置は、シリコン半導体装置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装置は、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。

また有機半導体装置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。

しかし有機物の昇華性を利用した薄膜形成法を用いた場合、大型の真空排気装置等の設備や、また溶液を用いたキャスト法においても分子性結晶の結晶成長方位の制御の為の基板の表面処理、結晶粒成長の為の基板温度の制御などが必要となる。この為これらの設備費用や工程を除くことが可能になれば、有機半導体装置がより安価で作製可能となる。

特開２００２−２０４０１２号公報 Appl. Phys.Lett.,69,4108-4110,(1996) J. Appl. Phys.,80,2501-2508, (1996)

上記の従来の問題点に鑑み、本発明は、真空や溶媒を介することなく安価に有機半導体層及び有機半導体装置を作製する方法を提供することを課題とする。

上記課題は次のような手段により解決される。
（１）有機半導体粉末を用意しフィルムに吸着させる工程、基板上に該フィルムを有機半導体粉末が吸着した面を下側にして重ね合わせる工程及び該フィルム表面より基板を加圧して、有機半導体粉末層を押し固めることにより有機半導体層とする工程を含む有機半導体装置の作製方法。
（２）上記有機半導体粉末はペンタセン又はルブレン粉末であり、上記フィルムに静電吸着させることによりパターニングされていることを特徴とする上記（１）に記載の有機半導体装置の作製方法。
（３）表面にソース及びドレイン電極のパターンが形成された基板を用意する工程、有機半導体粉末を用意しゲート絶縁層となる第１のフィルムに吸着させる工程、該基板上に該第１のフィルムを有機半導体粉末が吸着した面を下側にして重ね合わせる工程及び該第１のフィルム表面より加圧して有機半導体粉末層を押し固めることにより有機半導体層とする工程を含む有機半導体装置の作製方法。
（４）表面にゲート電極のパターンが形成された基板を用意する工程、有機半導体粉末を用意しゲート絶縁層となる第１のフィルムに吸着させる工程、該基板上に該第１のフィルムを有機半導体粉末が吸着した面を上側にして重ね合わせる工程、その上にソース及びドレイン電極のパターンが形成された第２のフィルムを重ね合わせる工程及び該第２のフィルム表面より加圧して有機半導体粉末層を押し固めることにより有機半導体層とする工程を含む有機半導体装置の作製方法。
（５）上記有機半導体粉末はペンタセン又はルブレン粉末であり、上記第１のフィルムに静電吸着させることによりパターニングされていることを特徴とする上記（３）又は（４）に記載の有機半導体装置の作製方法。
（６）上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の作製方法により作製された有機半導体装置。

本発明によれば、昇華法あるいはキャスト法等に伴う真空や溶媒を介することなく安価に有機半導体層・有機半導体装置を作製することができる。

本発明の実施形態について説明する。
従来、有機半導体装置の有機半導体層は、真空蒸着法又は溶媒を用いたキャスト法等で形成されているが、本発明に係る有機半導体層は、例えば有機半導体をメノウ乳鉢等によりナノ又はサブミクロンサイズの結晶粒からなる有機半導体粉末とし、プラスチック基板又は絶縁体薄膜上に吸着によって選択的に散布したものを押し固めることで形成される。

本発明の有機半導体装置に含まれる有機半導体トラジスタを例示してその作製方法について図１に基づいて説明する。
図１（ｅ）は、完成した有機半導体トラジスタの断面模式図である。基板１０の上に本発明に係る有機半導体層３０が形成されている。ソース・ドレイン電極２０は有機半導体層３０に接して間隔を置いて設けられている。有機半導体層３０上には、ゲート絶縁層４０を介してゲート電極５０が形成されている。

次に図１に基づき作製工程を説明する。
（ａ）基板表面にソース及びドレイン電極のパターンを形成する。
電極パターンは、プラスチック等の基板上に金属電極を被着して形成する。また電極パターンは、プラスチック等の基板上に金属あるいはＴＴＦ−ＴＣＮＱ等の有機導電体の粉末を散布しこれを押し固めたものでもよい。
（ｂ）ゲート絶縁層となるフィルム４０上にペンタセン、ルブレンといった有機半導体の粉末を静電吸着等により吸着させて有機半導体粉末層３０’を形成する。
（ｃ）基板表面上にフィルム４０を、有機半導体粉末が吸着した面を下側にして重ね合わせる。
（ｄ）フィルム４０の表面より加圧して有機半導体粉末層３０’を押し固めることにより有機半導体層３０とする。
（ｅ）ゲート絶縁層となるフィルム４０上にゲート電極５０を形成し有機半導体トラジスタが完成する。

これまではトップゲート型の有機半導体トラジスタを例示して本発明の作製方法を説明したが、本発明はボトムゲート型の有機半導体トラジスタにも当然適用できることは当業者には容易に理解される。
ボトムゲート型の有機半導体トラジスタの作製方法を纏めると次のような工程になる。
（ａ）表面にゲート電極のパターンが形成された基板を用意する工程
（ｂ）有機半導体粉末を用意しゲート絶縁層となる第１のフィルムに吸着させる工程
（ｃ）基板上に該第１のフィルムを有機半導体粉末が吸着した面を上側にして重ね合わせる工程
（ｄ）その上にソース及びドレイン電極のパターンが形成された第２のフィルムを重ね合わせる工程
（ｅ）該第２のフィルム表面より加圧して有機半導体粉末層を押し固めることにより有機半導体層とする工程

（実施例）
次に本発明に係る有機半導体層の電気的特性を評価するため、有機半導体粉末を圧縮することで有機半導体層が形成された有機半導体トランジスタの作製方法を例示する。
はじめにソース・ドレイン電極となる膜厚２．５μｍのAu箔を２枚平行に設置し、その上からポリビニルアルコール粉末とともに錠剤形成器で押し固めソース・ドレインが埋め込まれた基板を作製した。錠剤形成器での押し固めは、１００〜３００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力範囲で行った。

次にゲート絶縁層として、１．２μｍの厚みを持つポリエチレンナフタレート箔（PEN）を１mm×１ｍｍの大きさに切り取った。この物質の比誘電率は２．９である。
メノウ乳鉢を用いて有機半導体粉末となるルブレンをよく磨り潰し直径１０nm〜1μｍとした後、帯電させた該PENフィルムに吸着させた。これを上記のソース・ドレイン電極が付着した基板上に乗せ、同様に錠剤形成器にて押し固め有機半導体トランジスタを構築した。錠剤形成器での押し固めは、１０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力範囲で行った。

次にアジレントテクノロジー社製半導体評価解析装置E5270を用いて、作製したトランジスタの特性を評価した。評価したトランジスタのチャネル幅、チャネル長はそれぞれ１mm、０．２ｍｍであった。なおトランジスタの作製から評価までのすべての工程を大気中にて実施した。

ルブレン粉末を押し固めることにより有機半導体層を形成した有機半導体トランジスタについて、ドレイン電圧を−３０Vに固定しゲート電圧依存性を測定した結果を図３に示す。上記トランジスタは負のゲート電圧によってドレイン電流が増大するP型の電界効果トランジスタの動作特性を示した。

標準的な電界効果トランジスタの移動度の評価式：μ=(dI_D/dV_G)[L/(WC_iV_D)]を用いて線形領域で移動度を評価したところ、ルブレン粉末を押し固めることにより半導体層を形成した有機半導体トランジスタの正孔移動度は0.0001 cm²/Vsであった。但し、Ｃ_i はゲート絶縁層の絶縁容量、ＬとWはそれぞれチャネル長とチャネル幅、Ｖ_G はゲート電圧、Ｖ_D はドレイン電圧、Ｉ_Dはソース−ドレイン電流、μは移動度である。またこのトランジスタのオン／オフ比は、〜１００であった。
図４は、様々なゲート電圧を印加した際の有機半導体トランジスタの電流−電圧特性である。図３にあるように本デバイスの伝達特性は、ゲート電圧が負の領域において、０Vからドレイン電流の上昇が見られ、低電圧駆動のデバイスであった。また、図３、図4にあるように、ゲート電圧が正である領域においては、非常に緩やかにドレイン電流が減少する振る舞いがみられている。これは、半導体層の厚みによるものと考えられ、更に半導体層を薄く形成する事で、オン／オフ比の上昇と共に観察されなくなるものと考えている。

上記の結果は、従来の真空蒸着法又は溶媒を用いたキャスト法等で形成された有機半導体層を有する有機半導体トランジスタと同様に、有機半導体粉末層を圧縮することによっても有機半導体層が形成され、これにもとづくトランジスタ動作が得られることを示している。したがって、本手法を用いる事で、真空機器及び溶媒を用いることなく有機半導体トランジスタを構築することが可能であることが分かる。

これまで説明した実施例は、あくまでも本発明の理解を容易にするためのものであり、この実施例に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形、他の態様は、当然本発明に包含されるものである。

基板１０としては、プラスチック等の基板に限定されず、ガラス等の基板あるいは表面に絶縁膜が形成された導電性基板であってもよい。また可撓性を有する基板であってもよい。
誘電体層３０には、周知の材料である例えばポリエチレンナフタレート、二酸化珪素、窒化珪素、ポリイミド、ポリエチレン、ポリパラキシリレン（パリレン）などが使用される。

なお一般的に有機半導体装置のソース・ドレイン電極４０としては、金、銀、アルミニウム等の遷移金属材料や、電子供与性分子材料と電子受容性分子材料の分子化合物である導電性の高い電荷移動錯体薄膜が用いられる。特に高い電気伝導度を有する電荷移動錯体を用いる場合には、電極の形成工程においても本発明に係る有機半導体層と同様に、圧縮し形成することが可能である。

本発明による有機半導体膜あるいは有機半導体装置は、安価な有機半導体トランジスタとして利用できる。特に、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トランジスタを製造する上で極めて有用である。

有機半導体トランジスタの作製工程模式図である。 有機半導体粉末層を圧縮により押し固めることで有機半導体層を形成した有機半導体トランジスタである。 有機半導体トランジスタのドレイン電圧を−３０V印加した際の伝達特性である。 有機半導体トランジスタの様々なゲート電圧を印加した際の電流−電圧特性である。

符号の説明

１０ 基板
２０ ソース・ドレイン電極
３０’ 有機半導体粉末層
３０ 有機半導体層
４０ ゲート絶縁層となるフィルム
５０ ゲート電極

Claims (6)

1. 直径１０ｎｍ〜１μｍの有機半導体粉末を用意しフィルムに静電吸着させる工程、基板上に該フィルムを有機半導体粉末が吸着した面を下側にして重ね合わせる工程及び該フィルム表面より基板を１０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ ^２ の圧力範囲で加圧して、有機半導体粉末層を押し固めることにより有機半導体層とする工程を含む有機半導体装置の作製方法。
2. 上記有機半導体粉末はペンタセン又はルブレン粉末であり、上記フィルムに静電吸着させることによりパターニングされていることを特徴とする請求項１に記載の有機半導体装置の作製方法。
3. 表面にソース及びドレイン電極のパターンが形成された基板を用意する工程、直径１０ｎｍ〜１μｍの有機半導体粉末を用意しゲート絶縁層となる第１のフィルムに静電吸着させる工程、該基板上に該第１のフィルムを有機半導体粉末が吸着した面を下側にして重ね合わせる工程及び該第１のフィルム表面より１０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ ^２ の圧力範囲で加圧して有機半導体粉末層を押し固めることにより有機半導体層とする工程を含む有機半導体装置の作製方法。
4. 表面にゲート電極のパターンが形成された基板を用意する工程、直径１０ｎｍ〜１μｍの有機半導体粉末を用意しゲート絶縁層となる第１のフィルムに静電吸着させる工程、該基板上に該第１のフィルムを有機半導体粉末が吸着した面を上側にして重ね合わせる工程、その上にソース及びドレイン電極のパターンが形成された第２のフィルムを重ね合わせる工程及び該第２のフィルム表面より１０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ ^２ の圧力範囲で加圧して有機半導体粉末層を押し固めることにより有機半導体層とする工程を含む有機半導体装置の作製方法。
5. 上記有機半導体粉末はペンタセン又はルブレン粉末であり、上記第１のフィルムに静電吸着させることによりパターニングされていることを特徴とする請求項３又は４に記載の有機半導体装置の作製方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の作製方法により作製された有機半導体装置。