JP5216237B2 - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一対の電極間にわたって電気的に接続する半導体部材として有機半導体薄膜又は半導体ナノワイヤを用いた半導体素子及びその製造方法に関する。
従来は、直線状のソース電極とドレイン電極間に直線配向させた半導体ナノワイヤを配置してトランジスタ素子を形成していた（例えば、特許文献１参照。）。
上記トランジスタ素子では、直線状のソース電極とドレイン電極とを互いに平行に配置しておき、その間に半導体ナノワイヤを直線方向に配向させて付着していた。ところが、平行に配置されたソース電極−ドレイン電極間に直線配向させた半導体ナノワイヤを安定して付着させることは非常に難しいという問題があった。
また、ソース電極−ドレイン電極の間に半導体ナノワイヤを直線方向に配向させて並べる際に半導体ナノワイヤ自体の方向性を制御することが難しくなるという課題があった。
本発明の目的は、一対の電極間にわたって電気的に接続する半導体部材として有機半導体薄膜又は半導体ナノワイヤを用いた場合に、安定して付着させることができる半導体素子を提供することである。
本発明に係る半導体素子は、周状の外縁部を有する第１電極と、
前記第１電極について同一平面の面内外側に前記第１電極を囲んで配置され、前記第１電極の前記周状の外縁部と環状のギャップで離間した周状の内縁部を有する第２電極と、
前記第１電極の外縁部と、前記第２電極の内縁部とにわたって配置され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する複数の半導体ナノワイヤと、
前記第１電極及び前記第２電極が設けられた平面の表面又は裏面に設けられたゲート絶縁層と、
前記第１電極及び前記第２電極に対して前記ゲート絶縁層を挟んで設けられたゲート電極と、
を備え、
前記第１電極の前記外縁部よりも面内内側に所定厚さを有するバンクが設けられていることを特徴とする。
前記第１電極について同一平面の面内外側に前記第１電極を囲んで配置され、前記第１電極の前記周状の外縁部と環状のギャップで離間した周状の内縁部を有する第２電極と、
前記第１電極の外縁部と、前記第２電極の内縁部とにわたって配置され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する複数の半導体ナノワイヤと、
前記第１電極及び前記第２電極が設けられた平面の表面又は裏面に設けられたゲート絶縁層と、
前記第１電極及び前記第２電極に対して前記ゲート絶縁層を挟んで設けられたゲート電極と、
を備え、
前記第１電極の前記外縁部よりも面内内側に所定厚さを有するバンクが設けられていることを特徴とする。
さらに、前記第２電極の前記内縁部よりも面内外側に所定厚さを有するバンクが設けられていてもよい。
また、前記第２電極の前記内縁部よりも面内外側に撥水膜が設けられていてもよい。
本発明に係る半導体素子の製造方法は、周状の外縁部を有する第１電極を平面上に設けるステップと、
前記第１電極が配置された同一平面の面内外側に前記第１電極を囲んで、前記第１電極の前記周状の外縁部と環状のギャップで離間した周状の内縁部を有する第２電極を設けるステップと、
前記第１電極の前記外縁部と、前記第２電極の前記内縁部と、前記環状のギャップとを覆うように、複数の半導体ナノワイヤを含む非水系溶液を塗布するステップと、
前記半導体ナノワイヤを含む非水系溶液を乾燥させて、前記半導体ナノワイヤを放射状に配向させて、前記半導体ナノワイヤによって前記第１電極の前記外縁部と、前記第２電極の前記内縁部とにわたって電気的に接続するステップと、
を含み、
前記塗布ステップに先立って、前記第１電極の前記外縁部を露出させたまま、前記第１電極の前記外縁部より面内内側に前記第１電極の中心を所定厚さで覆うバンクを形成するステップをさらに含む。
前記第１電極が配置された同一平面の面内外側に前記第１電極を囲んで、前記第１電極の前記周状の外縁部と環状のギャップで離間した周状の内縁部を有する第２電極を設けるステップと、
前記第１電極の前記外縁部と、前記第２電極の前記内縁部と、前記環状のギャップとを覆うように、複数の半導体ナノワイヤを含む非水系溶液を塗布するステップと、
前記半導体ナノワイヤを含む非水系溶液を乾燥させて、前記半導体ナノワイヤを放射状に配向させて、前記半導体ナノワイヤによって前記第１電極の前記外縁部と、前記第２電極の前記内縁部とにわたって電気的に接続するステップと、
を含み、
前記塗布ステップに先立って、前記第１電極の前記外縁部を露出させたまま、前記第１電極の前記外縁部より面内内側に前記第１電極の中心を所定厚さで覆うバンクを形成するステップをさらに含む。
さらに、前記塗布ステップに先立って、前記第１電極と前記第２電極との間の環状のギャップと前記第２電極の前記内縁部とを露出させたまま、前記第２電極の前記内縁部より面内外側を所定厚さで覆うバンクを形成するステップをさらに含んでもよい。
また、前記塗布ステップに先立って、前記第１電極と前記第２電極との間の環状のギャップと前記第２電極の前記内縁部とを露出させたまま、前記第２電極の前記内縁部より面内外側を撥水膜で覆うステップをさらに含んでもよい。
本発明に係る半導体素子は、第１電極及び第２電極が同心円状に配置されている。第１電極の外縁部と、第２電極の内縁部との間には環状のギャップを画成している。また、第１電極と第２電極とにわたって有機半導体層が形成され、有機半導体層によって第１電極と第２電極とが電気的に接続されている。有機半導体層は、第１電極と第２電極との間の環状のギャップ上に、各結晶粒が中心の第１電極から外側の第２電極への半径方向に沿った結晶軸を有する有機半導体材料の多結晶体からなる。中心の第１電極から外側の第２電極への半径方向に沿った結晶軸を有するので、各結晶粒は、第１電極から第２電極にわたる電気的特性に優れる。
本発明に係る半導体素子の製造方法では、第１電極及び第２電極が同心円状に配置しておく。次いで、第１電極と第２電極との間の環状のギャップの上を覆うように、非水系溶媒に有機半導体材料を含む凸状液滴の有機半導体溶液を塗布する。その後、有機半導体溶液を乾燥させて、環状のギャップ上に有機半導体材料を結晶化させて、有機半導体層を得る。上記有機半導体溶液の乾燥ステップにおいて、中心から外側に向かって流れが生じる現象を利用して、結晶粒が中心から外側にかけて半径方向の結晶軸を有する有機半導体材料の多結晶体からなる有機半導体層を形成することができる。中心の第１電極から外側の第２電極への半径方向に沿った結晶軸を有するので、各結晶粒は、第１電極から第２電極にわたる電気的特性に優れる。
本発明の実施の形態に係る半導体素子及びその製造方法について添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
（実施の形態１）
＜トランジスタ素子の構成＞
図１の（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るトランジスタ素子１０の構造を示す平面図であり、図１の（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。このトランジスタ素子１０は、ゲート電極が下層にあるボトムゲート型トランジスタである。このトランジスタ素子１０は、基板１上に設けられたゲート電極２と、ゲート電極２の上を覆って設けられたゲート絶縁層３と、ゲート絶縁層３の上に設けられた円形状のソース電極４と、ゲート絶縁層３の上に、円形状のソース電極４について同一平面の面内外側にソース電極４を囲んで環状のギャップ５で離間して同心円状に配置された環状のドレイン電極６と、ゲート絶縁層３の上に、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に配置され、ソース電極４とドレイン電極６とにわたって電気的に接続する有機半導体層８と、を備える。
＜トランジスタ素子の構成＞
図１の（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るトランジスタ素子１０の構造を示す平面図であり、図１の（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。このトランジスタ素子１０は、ゲート電極が下層にあるボトムゲート型トランジスタである。このトランジスタ素子１０は、基板１上に設けられたゲート電極２と、ゲート電極２の上を覆って設けられたゲート絶縁層３と、ゲート絶縁層３の上に設けられた円形状のソース電極４と、ゲート絶縁層３の上に、円形状のソース電極４について同一平面の面内外側にソース電極４を囲んで環状のギャップ５で離間して同心円状に配置された環状のドレイン電極６と、ゲート絶縁層３の上に、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に配置され、ソース電極４とドレイン電極６とにわたって電気的に接続する有機半導体層８と、を備える。
このトランジスタ素子１０では、ソース電極４を中心にして、ソース電極４を囲んで環状のドレイン電極６が同心円状に配置されている。ソース電極４の外縁部と、ドレイン電極６の内縁部との間には環状のギャップ５を画成している。また、ソース電極４とドレイン電極６とにわたって有機半導体層８が形成され、有機半導体層８によってソース電極４とドレイン電極６とが電気的に接続されている。有機半導体層８は、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に、各結晶粒が中心のソース電極４から環状のドレイン電極６への半径方向に沿った結晶軸を有する有機半導体材料の多結晶体からなる。また、中心のソース電極４から環状のドレイン電極６への半径方向に沿った結晶軸を有するので、各結晶粒は、ソース電極４からドレイン電極６にわたる電気的特性に優れる。
以下に、このトランジスタ素子１０の構成部材について説明する。
＜基板＞
基板１としては、ガラス基板、プラスチック基板等を用いることができる。さらに、フレキシブル基板を用いてもよい。このトランジスタ素子を有機ＥＬディスプレイ用に用いる場合には、フレキシブル基板が好ましい。
基板１としては、ガラス基板、プラスチック基板等を用いることができる。さらに、フレキシブル基板を用いてもよい。このトランジスタ素子を有機ＥＬディスプレイ用に用いる場合には、フレキシブル基板が好ましい。
＜ゲート電極＞
ゲート電極２は、基板１の上に設けられる。実施の形態１に係るトランジスタ素子１０では、図１（ｂ）に示すように、ゲート電極２が最下層に設けられているので「ボトムゲート型」と呼ばれる。これとは逆に、後述する実施の形態２に係るトランジスタ素子等のようにゲート電極２が最上層に設けられる「トップゲート型」であってもよい。
ゲート電極２としては、通常用いられるクロム、金、銅等の導電性金属電極、あるいは、ポリチオフェン誘導体等の有機導電体を用いることができる。
ゲート電極２は、基板１の上に設けられる。実施の形態１に係るトランジスタ素子１０では、図１（ｂ）に示すように、ゲート電極２が最下層に設けられているので「ボトムゲート型」と呼ばれる。これとは逆に、後述する実施の形態２に係るトランジスタ素子等のようにゲート電極２が最上層に設けられる「トップゲート型」であってもよい。
ゲート電極２としては、通常用いられるクロム、金、銅等の導電性金属電極、あるいは、ポリチオフェン誘導体等の有機導電体を用いることができる。
＜ゲート絶縁層＞
ゲート絶縁層３は、ゲート電極２と、ソース電極４及びドレイン電極６が配置されている平面との間に挟まれて設けられている。このゲート絶縁層３は、通常用いられる絶縁層、例えば、ポリマ絶縁層等で構成できる。
ゲート絶縁層３は、ゲート電極２と、ソース電極４及びドレイン電極６が配置されている平面との間に挟まれて設けられている。このゲート絶縁層３は、通常用いられる絶縁層、例えば、ポリマ絶縁層等で構成できる。
＜ソース電極及びドレイン電極＞
ソース電極４及びドレイン電極６は、一方を円形状電極とし、もう一方を中心の円形状電極について同一平面の面内外側に円形状電極を囲んで、環状のギャップで離間して同心円状に配置した環状電極とする。なお、外側の電極は内側の電極との間に環状のギャップを画成すればよく、外形は環状でなく、矩形形状等であってもよい。実施の形態１では、図１（ｂ）に示すように、同一平面上に同心円状に配置されている。
ソース電極４及びドレイン電極６は、一方を円形状電極とし、もう一方を中心の円形状電極について同一平面の面内外側に円形状電極を囲んで、環状のギャップで離間して同心円状に配置した環状電極とする。なお、外側の電極は内側の電極との間に環状のギャップを画成すればよく、外形は環状でなく、矩形形状等であってもよい。実施の形態１では、図１（ｂ）に示すように、同一平面上に同心円状に配置されている。
なお、実施の形態１では、中心の円形状の電極をソース電極とし、面内外側の環状の電極をドレイン電極としたが、この場合に限られず、内側にドレイン電極、面内外側にソース電極とする逆の配置としてもよい。このようにソース電極４又はドレイン電極６のうち一方を円形状に構成すると共に、環状のギャップ５を画成することによって、ソース電極４とドレイン電極６とにわたって形成される有機半導体層８も円形形状となる。そこで、基板１としてフレキシブル基板を用いた場合にも有機半導体層８への応力が均等にかかるようにすることができる。また、内側のソース電極４の外部への取りだしは、例えば、図１（ｂ）に示すように、外側の環状のドレイン電極６の一部を分断して切り欠き部を設け、ソース電極４から切り欠き部を介して外部に取り出すようにしてもよい。
ソース電極４及びドレイン電極６としては、クロム、金、銅等の導電性金属、あるいは、ポリチオフェン誘導体等の有機導電体を用いることができる。
＜有機半導体層＞
有機半導体層８は、ソース電極４とドレイン電極６との間にわたって形成されており、ソース電極４とドレイン電極６とを電気的に接続する。有機半導体層８は、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に、各結晶粒が中心のソース電極４から環状のドレイン電極６への半径方向に沿った結晶軸を有する有機半導体材料の多結晶体からなることが好ましい。中心のソース電極４から環状のドレイン電極６への半径方向に沿った結晶軸を有するので、各結晶粒は、ソース電極４からドレイン電極６にわたる電気的特性に優れる。
有機半導体層８は、ソース電極４とドレイン電極６との間にわたって形成されており、ソース電極４とドレイン電極６とを電気的に接続する。有機半導体層８は、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に、各結晶粒が中心のソース電極４から環状のドレイン電極６への半径方向に沿った結晶軸を有する有機半導体材料の多結晶体からなることが好ましい。中心のソース電極４から環状のドレイン電極６への半径方向に沿った結晶軸を有するので、各結晶粒は、ソース電極４からドレイン電極６にわたる電気的特性に優れる。
有機半導体層８を構成する有機半導体材料としては、フルオレン−チオフェンコポリマー（Ｆ８Ｔ２）、テトラベンゾポルフィリン（tetrabenzoporphyrin）、オリゴチオフェン（Oligothiophene）、ペンタセン（pentacene）、ルブレン（rubren）等を用いることができる。
有機半導体層８は、安息香酸エチル等の非水系溶媒に有機半導体材料を含む非水系溶液７を塗布して、その後、乾燥させて形成することができる。この場合、凸状液滴の有機半導体溶液７を乾燥させることにより、外側の溶媒がより早く乾燥し、有機半導体材料が中心から外側に向かって流れやすくなる。そこで、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に、各結晶粒が半径方向に沿った結晶軸を有する有機半導体材料の多結晶体からなる有機半導体層８を形成できる。
＜トランジスタ素子の製造方法＞
次に、実施の形態１に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０の製造方法について、図２から図６を用いて説明する。
（ａ）基板１として、ガラス基板、又は、プラスチック基板を用意する。
（ｂ）基板１の上にＣｒ又はＡｕ材料を用いてゲート電極２を形成する（図２）。
（ｃ）ゲート電極２の上を覆ってゲート絶縁層３を形成する（図３）。ゲート絶縁層３としては、例えば、絶縁性ポリマを用いる。
（ｄ）次いで、ゲート絶縁層３の上に、円形状のソース電極４を設け、同一平面の面内外側にソース電極４を囲んで環状のギャップ５で離間して環状のドレイン電極６を同心円状に配置する（図４）。このソース電極４及びドレイン電極６は、Ｃｒ又はＡｕ材料を用いて形成する。
次に、実施の形態１に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０の製造方法について、図２から図６を用いて説明する。
（ａ）基板１として、ガラス基板、又は、プラスチック基板を用意する。
（ｂ）基板１の上にＣｒ又はＡｕ材料を用いてゲート電極２を形成する（図２）。
（ｃ）ゲート電極２の上を覆ってゲート絶縁層３を形成する（図３）。ゲート絶縁層３としては、例えば、絶縁性ポリマを用いる。
（ｄ）次いで、ゲート絶縁層３の上に、円形状のソース電極４を設け、同一平面の面内外側にソース電極４を囲んで環状のギャップ５で離間して環状のドレイン電極６を同心円状に配置する（図４）。このソース電極４及びドレイン電極６は、Ｃｒ又はＡｕ材料を用いて形成する。
（ｅ）ソース電極４の全面と、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５の上とを覆うように、非水系溶媒に有機半導体材料を含む凸状液滴の有機半導体溶液７を塗布する（図５）。なお、塗布は、例えば、ディスペンサ、インクジェット法等を用いて行うことができる。
（ｆ）有機半導体溶液７を乾燥させて、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に有機半導体材料を結晶化させて、有機半導体層８を得る（図６）。この有機半導体層８によってソース電極４とドレイン電極６とを電気的に接続する。このとき、凸状液滴の有機半導体溶液７を乾燥させることにより、外側の溶媒がより早く乾燥し、有機半導体材料が中心から外側に向かって流れやすくなる。そこで、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に、各結晶粒が半径方向に沿った結晶軸を有する有機半導体材料の多結晶体を形成することができる。各結晶粒は、中心のソース電極４から周辺のドレイン電極６にわたる半径方向に結晶軸を有するので、ソース電極４からドレイン電極６にわたる電気的特性に優れた有機半導体層８が得られる。
以上によって、実施の形態１に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０を作成することができる。
（ｆ）有機半導体溶液７を乾燥させて、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に有機半導体材料を結晶化させて、有機半導体層８を得る（図６）。この有機半導体層８によってソース電極４とドレイン電極６とを電気的に接続する。このとき、凸状液滴の有機半導体溶液７を乾燥させることにより、外側の溶媒がより早く乾燥し、有機半導体材料が中心から外側に向かって流れやすくなる。そこで、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に、各結晶粒が半径方向に沿った結晶軸を有する有機半導体材料の多結晶体を形成することができる。各結晶粒は、中心のソース電極４から周辺のドレイン電極６にわたる半径方向に結晶軸を有するので、ソース電極４からドレイン電極６にわたる電気的特性に優れた有機半導体層８が得られる。
以上によって、実施の形態１に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０を作成することができる。
なお、凸状液滴における乾燥中の液滴内の流れに関する「コーヒーリング現象（又は、コーヒーステイン）」と呼ばれるメカニズムが知られている。この「コーヒーリング現象」とは、凸状液滴が乾燥した後、リング状の痕跡が残る現象である。凸状液滴が乾燥する場合、周縁部での乾燥が早いので中心部から周縁部に向かう流れが生じる。この中心部から周縁部への流れのために、図６に示すように、中心部が凹んで、周縁部が厚くなる。本発明者は、この「コーヒーリング現象」を利用して有機半導体層の結晶化を制御することを検討した。
従来のように直線状のソース電極とドレイン電極とを平行に配置し、その間に一軸方向に有機半導体層を形成する場合には、有機半導体層の全体を一軸方向に配向させることは困難であった。そこで、本発明者は、円形状のソース電極４を設け、同一平面の面内外側にソース電極４を囲んで環状のギャップ５で離間して環状のドレイン電極６を同心円状に配置することとした。ソース電極４の全面と、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５の上とを覆うように、非水系溶媒に有機半導体材料を含む凸状液滴の有機半導体溶液７を塗布した。その後、乾燥させることによって、上記の「コーヒーリング現象」によって、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に、各結晶粒が半径方向に沿った結晶軸を有する有機半導体材料の多結晶体を形成することができることを見出し、本発明に至ったものである。
例えば１００℃で乾燥させると、「コーヒーリング現象」によって中心のソース電極４から周縁のドレイン電極６に向かう有機半導体材料の流れが生じる。そのため、有機半導体材料が結晶化する際に、中心のソース電極４から周縁のドレイン電極６に向かって放射状の結晶軸を有する結晶粒が成長するものと思われる。全体としては、中心のソース電極４とソース電極４を囲んで同心円状に配置されたドレイン電極６との間に各結晶粒が半径方向の結晶軸を有する有機半導体材料の多結晶体からなる有機半導体層を形成できる。
（実施の形態２）
＜トランジスタ素子の構成＞
図７（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ａの構成を示す平面図であり、図７（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ａは、実施の形態１に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０と比較すると、ソース電極４及びドレイン電極６の上を覆ってゲート絶縁層３が形成され、その上にゲート電極２が設けられているトップゲート型トランジスタ素子であることを特徴とする。
＜トランジスタ素子の構成＞
図７（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ａの構成を示す平面図であり、図７（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ａは、実施の形態１に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０と比較すると、ソース電極４及びドレイン電極６の上を覆ってゲート絶縁層３が形成され、その上にゲート電極２が設けられているトップゲート型トランジスタ素子であることを特徴とする。
＜トランジスタ素子の製造方法＞
次に、実施の形態２に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ａの製造方法について、図８から図１２を用いて説明する。
（ａ）基板１として、ガラス基板あるいは、プラスチック基板を用意する。
（ｂ）基板１上に円形状のソース電極４を設け、同一平面の面内外側にソース電極４を囲んで環状のギャップ５で離間して環状のドレイン電極６を同心円状に配置する（図８）。このソース電極４及びドレイン電極６は、Ｃｒ又はＡｕ材料を用いて形成する。
（ｃ）ソース電極４の全面と、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５の上とを覆うように、非水系溶媒に有機半導体材料を含む凸状液滴の有機半導体溶液７を塗布する（図９）。
（ｄ）有機半導体溶液７を乾燥させて、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に有機半導体材料を結晶化させて、有機半導体層８を得る（図１０）。この有機半導体層８によってソース電極４とドレイン電極６とを電気的に接続する。
（ｅ）ソース電極４、ドレイン電極６、有機半導体層８を覆うようにゲート絶縁膜３を形成する（図１１）。ゲート絶縁層３としては、例えば、絶縁性ポリマを用いる。
（ｆ）次いで、ゲート絶縁層３の上にＣｒ又はＡｕ材料を用いてゲート電極２を形成する（図１２）。
以上によって、実施の形態２に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ａを作成することができる。
次に、実施の形態２に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ａの製造方法について、図８から図１２を用いて説明する。
（ａ）基板１として、ガラス基板あるいは、プラスチック基板を用意する。
（ｂ）基板１上に円形状のソース電極４を設け、同一平面の面内外側にソース電極４を囲んで環状のギャップ５で離間して環状のドレイン電極６を同心円状に配置する（図８）。このソース電極４及びドレイン電極６は、Ｃｒ又はＡｕ材料を用いて形成する。
（ｃ）ソース電極４の全面と、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５の上とを覆うように、非水系溶媒に有機半導体材料を含む凸状液滴の有機半導体溶液７を塗布する（図９）。
（ｄ）有機半導体溶液７を乾燥させて、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に有機半導体材料を結晶化させて、有機半導体層８を得る（図１０）。この有機半導体層８によってソース電極４とドレイン電極６とを電気的に接続する。
（ｅ）ソース電極４、ドレイン電極６、有機半導体層８を覆うようにゲート絶縁膜３を形成する（図１１）。ゲート絶縁層３としては、例えば、絶縁性ポリマを用いる。
（ｆ）次いで、ゲート絶縁層３の上にＣｒ又はＡｕ材料を用いてゲート電極２を形成する（図１２）。
以上によって、実施の形態２に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ａを作成することができる。
（実施の形態３）
＜トランジスタ素子の構成＞
図１３（ａ）は、本発明の実施の形態３に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０ｂの構成を示す平面図であり、図１３（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｂは、実施の形態１に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０と比較すると、ソース電極４の内側と、ドレイン電極６の外側に所定厚さを有するバンク１２ａ、１２ｂを設けていることを特徴とする。ソース電極４の内側に設けられたバンク１２ａと、ドレイン電極６の外側に設けられたバンク１２ｂとによって、有機半導体層８を環状のギャップ５上及びその周辺に限定して配置することができる。
＜トランジスタ素子の構成＞
図１３（ａ）は、本発明の実施の形態３に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０ｂの構成を示す平面図であり、図１３（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｂは、実施の形態１に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０と比較すると、ソース電極４の内側と、ドレイン電極６の外側に所定厚さを有するバンク１２ａ、１２ｂを設けていることを特徴とする。ソース電極４の内側に設けられたバンク１２ａと、ドレイン電極６の外側に設けられたバンク１２ｂとによって、有機半導体層８を環状のギャップ５上及びその周辺に限定して配置することができる。
このトランジスタ素子１０ｂの製造方法では、有機半導体材料を含む有機半導体溶液７を塗布するステップの前に、ソース電極４の外縁部より面内内側と、ドレイン電極６の内縁部より面内外側を覆ってそれぞれ所定厚さを有するバンクを形成することを特徴とする。環状のギャップ５の外側と内側にバンクを設けているので、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に有機半導体材料を閉じ込めやすくなる。
＜トランジスタ素子の構成＞
図１４（ａ）は、本発明の実施の形態３に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ｃの構成を示す平面図であり、図１４（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｃは、ソース電極４及びドレイン電極６の上を覆ってゲート絶縁層３が形成され、その上にゲート電極２が設けられている「トップゲート型」である点以外はボトムゲート型トランジスタ１０ｂと同様の構成を有するので、その説明を省略する。
図１４（ａ）は、本発明の実施の形態３に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ｃの構成を示す平面図であり、図１４（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｃは、ソース電極４及びドレイン電極６の上を覆ってゲート絶縁層３が形成され、その上にゲート電極２が設けられている「トップゲート型」である点以外はボトムゲート型トランジスタ１０ｂと同様の構成を有するので、その説明を省略する。
（実施の形態４）
＜トランジスタ素子の構成＞
図１５（ａ）は、本発明の実施の形態４に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０ｄの構成を示す平面図であり、図１５（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｄは、実施の形態３に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０ｂと比較すると、ソース電極４の外縁部とドレイン電極６の内縁部の形状がジグザグの櫛歯状であって、互いに歯合するように配置されていることを特徴とする。このように櫛歯状の外縁部と外縁部とを互いに歯合させることで、その間の環状のギャップ５のソース電極４とドレイン電極６との間の境界長を長くできる。これによって、ソース電極４とドレイン電極６との間で移動する電荷の総量を大きくできる。また、ジグザグの櫛歯状の外縁部と外縁部とを互いに歯合させることで、実質的なギャップの幅を狭くでき、電荷移動を速めることができる。
＜トランジスタ素子の構成＞
図１５（ａ）は、本発明の実施の形態４に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０ｄの構成を示す平面図であり、図１５（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｄは、実施の形態３に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０ｂと比較すると、ソース電極４の外縁部とドレイン電極６の内縁部の形状がジグザグの櫛歯状であって、互いに歯合するように配置されていることを特徴とする。このように櫛歯状の外縁部と外縁部とを互いに歯合させることで、その間の環状のギャップ５のソース電極４とドレイン電極６との間の境界長を長くできる。これによって、ソース電極４とドレイン電極６との間で移動する電荷の総量を大きくできる。また、ジグザグの櫛歯状の外縁部と外縁部とを互いに歯合させることで、実質的なギャップの幅を狭くでき、電荷移動を速めることができる。
＜トランジスタ素子の構成＞
図１６（ａ）は、本発明の実施の形態４に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ｅの構成を示す平面図であり、図１６（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｅは、ソース電極４及びドレイン電極６の上を覆ってゲート絶縁層３が形成され、その上にゲート電極２が設けられている「トップゲート型」である点以外はボトムゲート型トランジスタ１０ｄと同様の構成を有するので、その説明を省略する。
図１６（ａ）は、本発明の実施の形態４に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ｅの構成を示す平面図であり、図１６（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｅは、ソース電極４及びドレイン電極６の上を覆ってゲート絶縁層３が形成され、その上にゲート電極２が設けられている「トップゲート型」である点以外はボトムゲート型トランジスタ１０ｄと同様の構成を有するので、その説明を省略する。
（実施の形態５）
＜トランジスタ素子の構成＞
図１７（ａ）は、本発明の実施の形態５に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０ｆの構成を示す平面図であり、図１７（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｆは、実施の形態３に係るボトムゲート型トランジスタ素子と比較すると、バンク１２に代えて撥水膜１４が設けられている点で相違する。この撥水膜１４としては、例えば、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ：Self Assemble Monolayer）、又は、シランカップリング剤等を用いることができる。自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）としては、ＣＦ３（ＣＦ２）７（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、ＣＨ３（ＣＨ２）７Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、ＮＨ２（ＣＨ２）３Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ）３等を用いることができる。また、硫黄を含むチオール系の自己組織化単分子膜を用いることもできる。この撥水膜１４は、所定厚さを有するバンクと比べて薄いため、素子全体の厚さを抑制することができる。
＜トランジスタ素子の構成＞
図１７（ａ）は、本発明の実施の形態５に係るボトムゲート型トランジスタ素子１０ｆの構成を示す平面図であり、図１７（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｆは、実施の形態３に係るボトムゲート型トランジスタ素子と比較すると、バンク１２に代えて撥水膜１４が設けられている点で相違する。この撥水膜１４としては、例えば、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ：Self Assemble Monolayer）、又は、シランカップリング剤等を用いることができる。自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）としては、ＣＦ３（ＣＦ２）７（ＣＨ２）２Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、ＣＨ３（ＣＨ２）７Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３、ＮＨ２（ＣＨ２）３Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ）３等を用いることができる。また、硫黄を含むチオール系の自己組織化単分子膜を用いることもできる。この撥水膜１４は、所定厚さを有するバンクと比べて薄いため、素子全体の厚さを抑制することができる。
＜トランジスタ素子の構成＞
図１８（ａ）は、本発明の実施の形態５に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ｇの構成を示す平面図であり、図１８（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｇは、ソース電極４及びドレイン電極６の上を覆ってゲート絶縁層３が形成され、その上にゲート電極２が設けられている「トップゲート型」である点以外はボトムゲート型トランジスタ１０ｆと同様の構成を有するので、その説明を省略する。
図１８（ａ）は、本発明の実施の形態５に係るトップゲート型トランジスタ素子１０ｇの構成を示す平面図であり、図１８（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子１０ｇは、ソース電極４及びドレイン電極６の上を覆ってゲート絶縁層３が形成され、その上にゲート電極２が設けられている「トップゲート型」である点以外はボトムゲート型トランジスタ１０ｆと同様の構成を有するので、その説明を省略する。
（実施の形態６）
＜トランジスタ素子の構成＞
図１９の（ａ）は、本発明の実施の形態６に係るボトムゲート型トランジスタ素子２０の構成を示す平面図であり、図１９（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子２０は、ソース電極４とドレイン電極６との間にわたって半導体ナノワイヤ１６が放射状に配向されていることを特徴とする。この半導体ナノワイヤ１６によって、ソース電極４とドレイン電極６とが電気的に接続されている。半導体ナノワイヤ１６が中心のソース電極４から周縁のドレイン電極６にわたる半径方向に配向されているので、放射状に配向した半導体ナノワイヤによってソース電極４とドレイン電極６とを効率的に電気的に接続できる。
＜トランジスタ素子の構成＞
図１９の（ａ）は、本発明の実施の形態６に係るボトムゲート型トランジスタ素子２０の構成を示す平面図であり、図１９（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子２０は、ソース電極４とドレイン電極６との間にわたって半導体ナノワイヤ１６が放射状に配向されていることを特徴とする。この半導体ナノワイヤ１６によって、ソース電極４とドレイン電極６とが電気的に接続されている。半導体ナノワイヤ１６が中心のソース電極４から周縁のドレイン電極６にわたる半径方向に配向されているので、放射状に配向した半導体ナノワイヤによってソース電極４とドレイン電極６とを効率的に電気的に接続できる。
なお、半導体ナノワイヤ１６としては、例えば、５００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下の長さを有し、５以上、好ましくは１０以上のアスペクト比を有する細長形状の半導体ワイヤを用いることができる。また、「半導体ナノワイヤ」は、アスペクト比が小さい場合には「半導体ナノロッド」と呼ばれる場合もある。さらに、半導体材料の観点から「半導体ナノコンポジット」と呼ばれる場合もある。ここでは、これらを区別せず、「半導体ナノワイヤ」として扱う。また、半導体ナノワイヤ１６としては、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５の幅よりも長いものを用いることが好ましい。
このトランジスタ素子２０の製造方法では、有機半導体材料を含む有機半導体溶液ではなく、複数の半導体ナノワイヤ１６を含む非水系溶液を塗布することを特徴とする。複数の半導体ナノワイヤ１６を含む非水系溶液を凸状液滴として塗布した後、乾燥させると、上述のように「コーヒーリング現象」によって、中心から外側に向かう流れが生じ、半導体ナノワイヤ１６は中心から外側に向かって放射状に配向する。そこで、ソース電極４とドレイン電極６との間の環状のギャップ５上に、それぞれの半導体ナノワイヤ１６が配向され、ソース電極４とドレイン電極６とを電気的に接続することができる。
＜トランジスタ素子の構成＞
図２０（ａ）は、本発明の実施の形態６に係るトップゲート型トランジスタ素子２０ａの構成を示す平面図であり、図２０（ｂ）は、（ａ）のＪ−Ｊ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子２０ａは、ソース電極４及びドレイン電極６の上を覆ってゲート絶縁層３が形成され、その上にゲート電極２が設けられている「トップゲート型」である点以外はボトムゲート型トランジスタ２０と同様の構成を有するので、その説明を省略する。
図２０（ａ）は、本発明の実施の形態６に係るトップゲート型トランジスタ素子２０ａの構成を示す平面図であり、図２０（ｂ）は、（ａ）のＪ−Ｊ線についての概略断面図である。このトランジスタ素子２０ａは、ソース電極４及びドレイン電極６の上を覆ってゲート絶縁層３が形成され、その上にゲート電極２が設けられている「トップゲート型」である点以外はボトムゲート型トランジスタ２０と同様の構成を有するので、その説明を省略する。
本発明に係る半導体素子及びその製造方法によれば、一対の電極間にわたって電気的に接続する半導体部材として有機半導体薄膜又は半導体ナノワイヤを用いたトランジスタ素子を、歩留まりよく形成することができる。そこで、このトランジスタ素子を用いて、有機ＥＬディスプレイ用の駆動素子を形成することが可能となる。
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁層
４ ソース電極
５ ギャップ
６ ドレイン電極
７ 有機半導体材料含有非水溶液
８ 有機半導体層
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、２０、２０ａ トランジスタ素子
１２、１２ａ、１２ｂ バンク
１４ 撥水膜
１６ 半導体ナノワイヤ
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁層
４ ソース電極
５ ギャップ
６ ドレイン電極
７ 有機半導体材料含有非水溶液
８ 有機半導体層
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、２０、２０ａ トランジスタ素子
１２、１２ａ、１２ｂ バンク
１４ 撥水膜
１６ 半導体ナノワイヤ
Claims (6)
- 周状の外縁部を有する第１電極と、
前記第１電極について同一平面の面内外側に前記第１電極を囲んで配置され、前記第１電極の前記周状の外縁部と環状のギャップで離間した周状の内縁部を有する第２電極と、
前記第１電極の外縁部と、前記第２電極の内縁部とにわたって配置され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する複数の半導体ナノワイヤと、
前記第１電極及び前記第２電極が設けられた平面の表面又は裏面に設けられたゲート絶縁層と、
前記第１電極及び前記第２電極に対して前記ゲート絶縁層を挟んで設けられたゲート電極と、
を備え、
前記第１電極の前記外縁部よりも面内内側に所定厚さを有するバンクが設けられていることを特徴とする半導体素子。 - 前記第２電極の前記内縁部よりも面内外側に所定厚さを有するバンクが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
- 前記第２電極の前記内縁部よりも面内外側に撥水膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
- 周状の外縁部を有する第１電極を平面上に設けるステップと、
前記第１電極が配置された同一平面の面内外側に前記第１電極を囲んで、前記第１電極の前記周状の外縁部と環状のギャップで離間した周状の内縁部を有する第２電極を設けるステップと、
前記第１電極の前記外縁部と、前記第２電極の前記内縁部と、前記環状のギャップとを覆うように、複数の半導体ナノワイヤを含む非水系溶液を塗布するステップと、
前記半導体ナノワイヤを含む非水系溶液を乾燥させて、前記半導体ナノワイヤを放射状に配向させて、前記半導体ナノワイヤによって前記第１電極の前記外縁部と、前記第２電極の前記内縁部とにわたって電気的に接続するステップと、
を含み、
前記塗布ステップに先立って、前記第１電極の前記外縁部を露出させたまま、前記第１電極の前記外縁部より面内内側に前記第１電極の中心を所定厚さで覆うバンクを形成するステップをさらに含む、半導体素子の製造方法。 - 前記塗布ステップに先立って、前記第１電極と前記第２電極との間の環状のギャップと前記第２電極の前記内縁部とを露出させたまま、前記第２電極の前記内縁部より面内外側を所定厚さで覆うバンクを形成するステップをさらに含む、請求項４に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記塗布ステップに先立って、前記第１電極と前記第２電極との間の環状のギャップと前記第２電極の前記内縁部とを露出させたまま、前記第２電極の前記内縁部より面内外側を撥水膜で覆うステップをさらに含む、請求項４に記載の半導体素子の製造方法。
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