JP5216237B2 - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
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。
<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。
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。
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。
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。
(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。
<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。
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。
<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。
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。
<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。
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。
<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。
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。
<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。
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。
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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