JP5565732B2 - 有機薄膜トランジスタ - Google Patents
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Description
本発明は有機薄膜トランジスタに関する。
トランジスタは２つの主要種類、すなわち、バイポーラ接合トランジスタと電界効果トランジスタとに分類できる。２つの種類は、チャンネル領域において半導体材料を介在させた３つ電極を備える共通の構造を持つ。バイポーラ接合トランジスタの３つの電極はエミッタ、コレクタ、ベースとして知られるのに対して、電界効果トランジスタでは、この３つの電極はソース、ドレイン、ゲートとして知られる。バイポーラ接合トランジスタは、エミッタ・コレクタ間の電流がベース・エミッタ間を流れる電流によって制御されるので、電流動作型デバイスと記述してもよい。これに対して、電界効果トランジスタは、ソース・ドレイン間を流れる電流がゲート・ソース間の電圧によって制御されるので、電圧動作型デバイスと記述してもよい。
また、トランジスタは、正電荷キャリア（正孔）を伝導する半導体材料から構成されるか負電荷キャリア（電子）を伝導する半導体材料から構成されるかによってｐ型とｎ型に分類できる。半導体材料は、電荷を受容、伝導、提供できる能力に応じて選択してもよい。半導体材料の正孔や電子を受容、伝導、提供できる能力は、その材料に不純物を加えることによって強化可能である。ソース電極及びドレイン電極に使用する材料は、正孔又は電極を受容・注入する能力に応じて選択してよい。例えば、ｐ型トランジスタデバイスは、正孔を受容、伝導、提供するのに効率的な半導体材料を選択し、その半導体材料から正孔を注入・受容するのに効率的な材料をソース電極及びドレイン電極用に選択することによって形成することができる。これらの電極のフェルミ準位と半導体材料のＨＯＭＯ準位とのエネルギー準位を上手く整合させると、正孔の注入及び受容を強化することができる。これに対して、ｎ型トランジスタデバイスは、電子を受容、伝導、提供するのに効率的な半導体材料を選択し、その半導体材料に電子を注入し、その半導体材料から電子を受容するのに効率的な材料をソース電極及びドレイン電極用に選択することによって形成することができる。これらの電極のフェルミ準位と半導体材料のＬＵＭＯ準位とのエネルギー準位を上手く整合させると、電子の注入及び受容を強化することができる。
トランジスタは前記成分を薄膜に堆積させて薄膜トランジスタを形成することによって形成することができる。有機材料をこのようなデバイスにおける半導体材料として使用することは、有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）として知られている。ＯＴＦＴは溶液処理などの低コストで低温の方法で製造できる。更に、ＯＴＦＴは、可撓性プラスチック基板と両立可能であり、ロールツーロール法で可撓性基板上にＯＴＦＴを大量生産する可能性を提供する。
有機薄膜トランジスタの構成には種々のものが知られる。こうしたデバイスの１つは、絶縁ゲート電界効果トランジスタである。絶縁ゲート電界効果トランジスタは、チャンネル領域において間に半導体材料を配置したソース電極及びドレイン電極と、半導体材料に隣接配置したゲート電極と、チャンネル領域においてゲート電極と半導体材料の間に配置した絶縁材料の層とを備えている。
このような有機薄膜トランジスタの一例を図１に示す。図示の構造は、基板（図示せず）上に配置してよく、間隔を空けたソース電極２及びドレイン電極４を有し、チャンネル領域６が両電極間に位置する。有機半導体（ＯＳＣ）８はチャンネル領域６に堆積させるが、ソース電極２及びドレイン電極４上の少なくとも一部に伸張してもよい。誘電体の絶縁層１０は有機半導体８上に堆積させるが、ソース電極２及びドレイン電極４上の少なくとも一部に伸張してもよい。最後に、ゲート電極１２を絶縁層１０上に堆積させる。ゲート電極１２はチャンネル領域６上に位置するが、ソース電極２及びドレイン電極４上の少なくとも一部に伸張してもよい。
上述の構造は、ゲートがデバイスの上面側に配置するので、トップゲート型有機薄膜トランジスタとして知られる。また、ゲートをデバイスの底面側に設けて所謂ボトムゲート型有機薄膜トランジスタを形成することも知られる。
このようなボトムゲート型有機薄膜トランジスタの一例を図２に示す。図１と図２に示す構造同士の関係をより明確に示すために、対応する部分には同じ参照番号が使用されている。図２に示すボトムゲート型構造は、誘電体の絶縁層１０を表面に堆積された基板１上に堆積させたゲート電極１２を有する。ソース電極２及びドレイン電極４は誘電体の絶縁層１０上に堆積させる。ソース電極２及びドレイン電極４は間隔を空けられ、その間にはゲート電極上にチャンネル領域６が配置される。有機半導体（ＯＳＣ）８はチャンネル領域６に堆積させるが、ソース電極２及びドレイン電極４上の少なくとも一部に伸張してもよい。
チャンネルの導電率は、ゲートにおける電圧の印加によって変更可能である。このようにしてトランジスタは、印加されるゲート電圧を用いてスイッチオンオフ可能である。有機薄膜トランジスタに対して実現可能なドレイン電流は、そのデバイスのアクティブ領域（ソース電極・ドレイン電極間のチャンネル）における誘電体の厚さに反比例する。従って、低動作電圧で高ドレイン電流を実現するためには、有機薄膜トランジスタはチャンネル領域において薄い誘電体層を持たなければならない。
それ故、低動作電圧で高ドレイン電流を実現するためには、チャンネル領域では薄い誘電体層が望ましい。しかし、非常に薄い誘電体層（＜１００ｎｍ）を溶液処理するのは一般的には困難である。というのも、この結果、しばしば、この薄い誘電体層における欠陥によってゲート電極への実質上の漏出路が生じるからである。したがって、薄い誘電体層は、しばしば、誘電体層の両側に存在する金属被膜間の短絡あるいは漏出路となり、寄生容量の増加に繋がり得る。
図１及び２に示すような従来の構成では、この問題は、ゲート絶縁材料の厚さを増加することによって解決できるかも知れない。しかし、ゲート絶縁材料の厚さをチャンネル領域において増加させると、トランジスタをスイッチオンするのにより大きな電圧が必要となり、所定の電流を達成するためにはより大きな動作電圧が必要となる。例えば、有機誘電体では、約１ｍのフィルムを信頼性高くスピン堆積して良好な均質フィルムを提供することができる。しかし、このような誘電体層は、妥当な動作電流を達成するためにゲートに３０〜６０ボルトの電圧を印加しなければならなくなるかも知れない。
従って、１つの解決策は、ゲートとソース・ドレインが重なる領域でゲート絶縁材料の厚さを増加させるだけにしてチャンネル領域では薄い誘電体層を提供することであろう。このような解決策は以下で述べる文献から知られる。
米国特許出願公開第２００６／０６０８５５号明細書は、ゲートとソース電極・ドレイン電極が重なる領域においてのみ追加絶縁層を有するトップゲート型デバイスを開示した。この追加絶縁層は、主要なゲート誘電体層上に堆積させ、ゲートの堆積前にパターニングされる。本文献に開示される別のトップゲート型デバイス構成では、ゲート絶縁体材料の単一層を堆積させる。ゲート絶縁体は、ゲート電極の下でかつソース領域及びドレイン領域の上に堆積するゲート絶縁体が有機半導体層のチャンネル領域上に堆積するゲート絶縁体の一部の厚さよりも大きくなるようにマスキングすることによって形成される。あるいは、ゲート絶縁体は、有機半導体層の全上面上にゲート絶縁体を堆積した後に、有機半導体層のチャンネル領域上に堆積したゲート絶縁体の少なくとも一部を除去することによって形成することも可能である。
米国特許出願公開第２００６／２２００２２号明細書は、可変の厚さを持つゲート絶縁層を有するトップゲート型デバイスを開示した。このゲート絶縁層は、チャンネルを覆うその中央領域においてより薄く、ゲートがソース・ドレインに重なる周辺領域においてより厚くなっている。このゲート絶縁層の厚さの変化は、周辺領域がチャンネル上の中央領域より早く乾くように形成中の層の乾燥速度を調整することによって実現される。その結果、中央領域よりも多くの材料が周辺領域に析出する。
上述の構成のどちらにも付随する１つの問題は、追加誘電体を有機半導体層上に堆積する必要があり、それによって有機半導体層を損傷するかも知れないという点である。上述の構成のどちらにも付随する別の問題は、ゲート誘電体層の薄い部分をチャンネル領域に整列させることなど、デバイスにおいて重なり合う層を全て整列させることは難しいという点である。更に又、チャンネル領域への有機半導体材料の閉じ込めも問題となる可能性がある。
米国特許出願公開第２００６／０６０８５５号明細書に開示の構成に付随する更なる問題は、誘電体層をパターニングするための追加マスキング工程を必要とする点である（特許文献１参照）。
米国特許出願公開第２００６／２２００２２号明細書に開示の構成に付随する更なる問題は、均一な特性を持つデバイスを形成するには再現可能な方法で可変の厚さを持つゲート誘電体層を形成するのが難しいかも知れない点である（特許文献２参照）。
特開２００５−１０８９４９号公報は、ゲート誘電体と有機半導体との接触領域がゲート誘電体とソース電極・ドレイン電極との接触領域から１０〜４０ｎｍの高さだけずらされたＯＴＦＴを開示した。この構成は、寄生容量を減少させるために提供されるものではない。また、有機半導体は溶液処理法ではなく熱蒸発によって堆積させる（特許文献３参照）。
本発明の実施例の目的は上述の問題点の１つ以上に対して解決策を提供することである。
本発明の第１の態様によれば、有機薄膜トランジスタを形成する方法が提供され、この方法は、チャンネル領域を介在させたソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記ゲート電極の間に配置した誘電体層とを備える構造を提供する工程と、前記ソース電極及びドレイン電極をマスクとして用いて前記誘電体層をパターニングし、前記チャンネル領域に隣接する誘電体の領域よりも薄い誘電体の領域を前記チャンネル領域に形成する工程とを含んでいる。
本発明の一実施例によれば、ボトムゲート型有機薄膜トランジスタを形成する方法が提供され、この方法は、基板上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極上に誘電体層を形成する工程と、前記ゲート電極上に位置するチャンネル領域を間に置いて間隔を隔てるようにソース電極及びドレイン電極を前記誘電体層上に形成する工程と、前記ソース電極及びドレイン電極をエッチングマスクとして用いて前記チャンネル領域における前記誘電体層をエッチングして前記チャンネル領域における前記誘電体層の厚さを減少させる工程と、前記ソース電極及びドレイン電極間の少なくとも前記チャンネル領域において有機半導体材料の層を形成する工程とを含んでいる。
本発明の実施例は、ソース電極・ドレイン電極とゲート電極が重なり合う有機薄膜トランジスタの周囲領域においてより厚い誘電体領域を設ける。このより厚い領域は、ゲートの周囲領域をソース及びドレインから隔離して容量とソース及びドレインへのゲート漏出とを最小化する働きを持つ。動作電圧を最小化するために、ソース電極及びドレイン電極間のチャンネル領域により薄い誘電体領域が設けられる。
更に又、ソース電極及びドレイン電極をエッチングマスクとして用いることによって、誘電体層のより薄い領域は電極層に自動的に整列される。また、ソース電極及びドレイン電極をエッチングマスクとして用いることによって、誘電体層をパターニングしてチャンネル領域において誘電体層のより薄い領域を形成するのに更なるマスキング工程を必要としない。
誘電体層のエッチング後には、有機半導体材料が配置されるウェルが形成される。このウェルはチャンネル領域に半導体材料を収容する働きを持つ。更に又、有機半導体層の堆積前に誘電体層を堆積するので、有機半導体層を損傷することなしに誘電体層を堆積しエッチングすることができる。この構造は、公知の堆積及びエッチング技術を使用する再現可能な方法で形成でき、低動作電圧で低容量でソース及びドレインへのゲート漏出も低いという均一な特性を持つデバイスを生産することができる。
本発明の別の一実施例によれば、トップゲート型有機薄膜トランジスタを形成する方法が提供され、この方法は、チャンネル領域を間に置いて間隔を隔てるようにソース電極及びドレイン電極を透明基板上に形成する工程と、前記ソース電極及びドレイン電極間の少なくとも前記チャンネル領域において有機半導体材料の層を形成する工程と、前記有機半導体材料層上に誘電体層を形成し、光を前記透明基板に投影して前記チャンネル領域における前記誘電体層を処理し、前記ソース電極及びドレイン電極上の前記誘電体層の領域に対して優先的にエッチングされうる前記誘電体層の領域を前記チャンネル領域に形成する工程と、前記チャンネル領域における前記誘電体層の前記領域をエッチングして前記チャンネル領域における前記誘電体層の厚さを減少させる工程と、少なくとも前記チャンネル領域において前記誘電体層上にゲート電極を堆積する工程とを含んでいる。
本発明の本実施例は、本発明の先述の実施例によって提供されるボトムゲート型有機薄膜トランジスタと同様の有利な特性を持つトップゲート型有機薄膜トランジスタを提供する。
これらの実施例は全て、トップゲート型でもボトムゲート型でも、ソース電極及びドレイン電極は誘電体層をパターニングするためのマスクとして働き、ソース電極及びドレイン電極がゲート電極に重なるかも知れないチャンネル領域の周囲における誘電体の領域よりも薄い誘電体の領域をチャンネル領域に設ける。
本発明の実施例は、ソース電極及びドレイン電極によって画成されるチャンネル領域に対してこの誘電体層のより薄い領域を自動整列させる。この自動整列処理によって処理工程を減らすことができ、チャンネル領域から離れた重なり領域においてソース・ドレインとゲートの間に厚い誘電体層を生じる。この解決策は、また、ゲートの物理的な幅を、容量及び電流漏出の不適当な増加なしに拡大可能に（即ち、ゲートを印刷可能に）する。即ち、重なり領域により厚い誘電体領域が設けられるので、電極間の大きな重なりは容量や電流漏出を不適当に増加させない。従って、本発明の実施例は、容量やゲート漏出を減少しながらソース電極及びドレイン電極間のチャンネル領域に薄い誘電体領域を整列可能とする単純な製法を提供する。更に、ゲートは印刷、または、他の単純なパターニング技術を用いて堆積可能となる。
本発明の他の利点は、誘電体層は、例えば、発光ディスプレイにおいて、ゲート金属被覆とソース・ドレイン金属被覆によって画成される行列間の絶縁スペーサとして働くように要求されてもよい点である。この場合、より厚い誘電体は、寄生容量、漏出、行列交点における短絡確率を減少するように求められる。もしエッチバック技術がなければ、より厚い誘電体層のために有機薄膜トランジスタは高ゲート電圧を必要条件とすることになるだろう。
更に又、ある領域では、露出した誘電体を薄くしない方が好ましいかも知れない。例えば、後の金属被覆（例えば、発光ディスプレイにおける陰極電極層）は基板上の金属被膜から十分に間隔を置いた方が好ましい。この場合、エッチングを阻止あるいは遅延する保護層を表面に堆積し、パターニングしてもよい。保護層の例としては、写真印刷術を用いてパターニング可能なフォトレジストがある。保護層はインクジェット印刷で堆積してもよい。
本発明の他の態様によれば、基板と、基板上に配置したゲート電極と、前記ゲート電極上に配置した誘電体層と、前記ゲート電極上に位置するチャンネル領域を間に置いて間隔を隔てるように前記誘電体層上に配置したソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極間の少なくとも前記チャンネル領域に配置した有機半導体材料の層を備える有機薄膜トランジスタが提供される。この有機薄膜トランジスタにおいて、前記ソース電極及びドレイン電極間の前記チャンネル領域における前記誘電体層は前記ソース電極及びドレイン電極の下の領域よりも薄い。
本発明の他の態様によれば、チャンネル領域を間に置いて間隔を隔てるように透明基板上に配置したソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極間の少なくとも前記チャンネル領域に配置した有機半導体材料の層と、前記有機半導体材料層上に配置した誘電体層と、少なくとも前記チャンネル領域において前記誘電体層上に配置したゲート電極とを備える有機薄膜トランジスタが提供される。この有機薄膜トランジスタにおいて、前記ソース電極及びドレイン電極間の前記チャンネル領域における前記誘電体層は前記ソース電極及びドレイン電極上の領域よりも薄く、前記誘電体のより薄い領域は、前記誘電体層のより厚い領域を形成する材料に対して優先的にエッチングされうる材料から構成される。
ここで本発明を付属図面を参照して更に詳細に説明するが、これは例示に過ぎない。
図３に、本技術を実施する一例としての方法を概略的に図示する。
まず初めに、ゲート電極１２、肉厚誘電体層１０（約１〜５μｍ）の形成によって基板を用意する。肉厚誘電体層１０はポリマー又はＳｉＯ２などの無機材料から形成可能である。その後ソース接触２及びドレイン接触４を堆積する（これはボトムゲート型、ボトム接触型トランジスタ構造である）。
その後、工程１において制御された方法で誘電体層１０をエッチバックする。この時、ソース接触２・ドレイン接触４がエッチングの自動整列マスクとしての役割を果たす。このエッチングは、誘電体層を完全にエッチングしてしまわないように制御できるならば、ドライエッチング技術でもウェットエッチング技術でもどちらで実施することも可能である。好適には、誘電体領域はその元の厚さの半分以上（即ち、パターニング前後の肉厚比が２：１以上）まで薄くする。基板表面から測定される誘電体層の厚さは、一般的には、ゲート電極の被覆を提供すると共にチャンネル領域外で寄生容量を減らすのに十分な厚さを提供するためには、１０００ｎｍ超である。一般的に、ゲート電極と重複する誘電体層は３００ｎｍ超の厚さになるまで堆積され、少なくとも３００ｎｍの深さまでパターニングされてより肉薄領域を形成する。
チャンネル領域における誘電体界面の物理および化学特性はデバイス動作にとって重要となりうるので、任意工程ではあるが、エッチング工程によって生じた誘電体表面の損傷を工程２で示すように修復してもよい。これは、例えば、自己組織化単層膜（ＳＡＭ）などの蓋層１４を、露出した誘電体表面に堆積することによって行うことができる。
ＳＡＭ材料の例としては、ＳｉＯ２や他の酸化表面に付着物を形成する材料であるトリクロロシラン類がある。更に、このようなトリクロロシラン類には、オクタデシルトリクロロシランやフェニルエチルトリクロロシランがある。有機誘電体を使用するならば、例えば酸素プラズマ処理による酸化表面の形成によってトリクロロシランＳＡＭの付着を確実にする必要があるかも知れない。
蓋層に他の材料を使用してもよい。これには、選択された特定の誘電体と共有結合を形成する紫外線活性化材料が含まれる。この種の反応は、表面における特定の化学基と相互作用するラジカル化学によって進行してもよい。この層は好適には連続的であり、高品質上面を形成し、下層のエッチングされた誘電体表面によく付着するものであるが、これらの材料で必ずしも自己組織化単層膜を形成しなければならないというわけではない。
その後有機薄膜トランジスタは、工程３に示すように有機半導体層８の堆積によって完成される。
結果として生じたトランジスタは、背景技術の部分で前述した図２に示す構造と同様な構造を持つ。分かりやすくするために、共通な層には図２と同じ参照番号が使用されている。重要な相違点は、図３の最終構造に示す構成では、誘電体の肉薄領域がチャンネル領域に堆積される一方、ソース及びドレインの下には誘電体の肉厚領域が設けられる点である。これらの誘電体肉厚領域は、ゲート電極の周囲領域をソース及びドレインから隔離し、容量及びソース・ドレインへのゲート漏出を最小化する。誘電体肉厚領域には、有機半導体材料が堆積されるウェルを形成する役割もある。ウェルが非常に深く作られると、ソース・ドレイン間の導電路長が増加することになるかも知れない。これは、有機半導体の電荷キャリアは誘電体近くのチャンネルの領域に輸送される傾向があるためである。従って、電荷キャリアはソースからウェルの基部内まで移動し、チャンネル領域を横切ってドレインまで戻る可能性がある。この場合、深いウェルが望ましいならば、ソース・ドレイン間の導電路長を減少させるために、ウェルの側面を金属化してもよい。
図３は、基板１が不透明又は透明であるボトムゲート型有機薄膜トランジスタを形成する方法の工程を示す。これに対して、図４は、下で述べられるトップゲート型有機薄膜トランジスタの形成に関わる方法の工程を示す。
まず初めに、ソース電極２及びドレイン電極４、有機半導体材料層８、肉厚誘電体層１０（約１〜５μｍ）の形成によって透明基板１を用意する。肉厚誘電体層１０は架橋ポリマーから形成可能である。この架橋は紫外光線への露光によって破壊可能である。
図４の工程１では、紫外光線を基板１に投射する。ソース電極２及びドレイン電極４がマスクとして働き、ソース・ドレイン間に位置する誘電体層１０の領域１６だけが露光されて誘電体層を形成するポリマーの架橋を破壊する。
工程３では、チャンネル領域における非架橋誘電体を優先的にエッチングする腐食液で誘電体層を制御可能にエッチングする。その結果、チャンネル領域には誘電体の肉薄部分が残される一方、ソース及びドレイン上には誘電体の肉厚架橋領域がそのまま残る。
最後に、工程３で、ゲート電極１２を堆積する。任意に、図３の工程２に示すようにゲート電極を堆積する前に修復工程を設けることも可能である。
誘電体層を架橋し、チャンネル領域の架橋を破壊するためにチャンネル領域の誘電体層をＵＶ処理するのにソース及びドレインをマスクとして使用する工程は、図３に示す方法で追加工程として用いてもよい。これは、腐食液がソース及びドレインを下方腐食するのを防ぐためにも有用である。
ある実施例では、架橋を紫外線処理で破壊可能な架橋可能材料など、特定種の材料を誘電体層に利用してもよい。しかし、誘電体層は、堆積可能で制御可能にエッチングできるなどのような絶縁材料から形成してもよい。誘電体は溶液処理可能なものでもよい。例えば、誘電体層は、容易にスピンコート及びパターニングが可能なポリイミドなどの有機フォトレジストでもよい。あるいは、誘電体層は、ＳｉＯ２などの無機材料でもよい。このような材料の堆積とパターニングは当業において周知であり、ここではその詳細は述べない。
有機半導体材料は、例えばスピンコートやインクジェット印刷によって溶液から堆積可能な溶液処理可能なものでもよい。有機半導体材料は、ポリマーやデンドリマーから構成されてもよい。これらは良好な溶液処理可能材料であることが判明しているからである。このような多くの半導体材料、例えば、有機発光デバイスで利用される共役ポリマーやデンドリマーが当業では公知である。
ゲート電極は、当業で公知である他の簡単なパターニング技術を用いて印刷あるいは堆積することができる。
誘電体層のより肉厚領域は、ディスプレイ（例えばアクティブマトリックス有機発光ディスプレイ）などの装置におけるより低レベルの金属被膜とより高レベルの金属被膜の間のトラック漏出を減少させるのに利用してもよい。
本発明に適用可能な材料や処理の更なる詳細を以下に述べる。
（基板）
基板は剛性または可撓性である。剛性基板はガラス又はシリコンから選択してよく、可撓性基板は薄肉ガラスまたはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリイミドなどのプラスチックから構成されてもよい。
基板は剛性または可撓性である。剛性基板はガラス又はシリコンから選択してよく、可撓性基板は薄肉ガラスまたはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリイミドなどのプラスチックから構成されてもよい。
有機半導体材料は、適当な溶媒を使用して溶液処理可能にしてもよい。溶媒の例としては、トルエンやキシレンなどのモノ又はポリアルキルベンゼン、テトラリン、クロロホルムがある。好適な溶液堆積技術としては、スピンコートやインクジェット印刷がある。他の溶液堆積技術としては、ディップコート、ロール印刷、スクリーン印刷がある。溶液をノズルから投入する場合、印刷処理は連続であっても不連続であってもよい。例えば、連続処理では一続きの細長い有機半導体材料がノズルから投入されるのに対し、不連続印刷処理では不連続な液滴がノズルから投入される。
（有機半導体材料）
好適な有機半導体材料としては、任意置換ペンタセンなどの小分子、ポリアリーレン、特にポリフルオレンやポリチオフェンなどの任意置換ポリマー、および、オリゴマーがある。異なる材料種の混合物（例えば、ポリマーと小分子の混合物）を含む、複数材料の混合物を用いてもよい。
好適な有機半導体材料としては、任意置換ペンタセンなどの小分子、ポリアリーレン、特にポリフルオレンやポリチオフェンなどの任意置換ポリマー、および、オリゴマーがある。異なる材料種の混合物（例えば、ポリマーと小分子の混合物）を含む、複数材料の混合物を用いてもよい。
（ソース電極及びドレイン電極）
ｐチャンネルＯＴＦＴでは、ソース電極及びドレイン電極は、３．５ｅＶより大きな仕事関数を持つ高仕事関数材料、好適には金属、例えば、金、プラチナ、パラジウム、モリブデン、タングステン、あるいはクロム、から構成されることが好ましい。この金属は、より好適には、４．５〜５．５ｅＶの範囲の仕事関数を持つ。他の適当な化合物、合金、三酸化モリブデンや酸化インジウムスズなどの酸化物も使用可能である。ソース電極及びドレイン電極は、熱蒸発によって堆積し、当業で公知の標準写真印刷術とリフトオフ技術を用いてパターニングしてもよい。
ｐチャンネルＯＴＦＴでは、ソース電極及びドレイン電極は、３．５ｅＶより大きな仕事関数を持つ高仕事関数材料、好適には金属、例えば、金、プラチナ、パラジウム、モリブデン、タングステン、あるいはクロム、から構成されることが好ましい。この金属は、より好適には、４．５〜５．５ｅＶの範囲の仕事関数を持つ。他の適当な化合物、合金、三酸化モリブデンや酸化インジウムスズなどの酸化物も使用可能である。ソース電極及びドレイン電極は、熱蒸発によって堆積し、当業で公知の標準写真印刷術とリフトオフ技術を用いてパターニングしてもよい。
あるいは、導電性ポリマーをソース電極及びドレイン電極として堆積してもよい。このような導電性ポリマーの一例としてはポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）があるが、他の導電性ポリマーも当業で公知である。このような導電性ポリマーは、例えば、スピンコートやインクジェット印刷技術、及び上述の他の溶液堆積技術を用いて溶液から堆積してもよい。
ｎチャンネルＯＴＦＴでは、ソース電極及びドレイン電極は、材料、例えば、３．５ｅＶより小さな仕事関数を持つ金属、例えば、カルシウムやバリウムや薄膜金属化合物、特に、フッ化リチウム、フッ化バリウム、酸化バリウムなどのアルカリ又はアルカリ土類金属の酸化物やフッ化物、から構成されることが好ましい。あるいは、導電性ポリマーをソース電極及びドレイン電極として堆積してもよい。
ソース電極及びドレイン電極は、製造の容易さから同一材料で形成するのが好ましい。しかし、ソース電極及びドレイン電極はそれぞれ電荷注入及び抽出の最適化のために異なる材料から形成してもよいことは理解されるであろう。
ソース電極及びドレイン電極によって画成されるチャンネルの長さは最大５００ミクロンでもよいが、この長さは２００ミクロン未満であることが好ましく、１００ミクロン未満であることがより好ましく、２０ミクロン未満であることが最も好ましい。
（ゲート電極）
ゲート電極は、金属（例えば、金）や金属化合物（例えば、酸化インジウムスズ）などの広範囲な導電材料から選択することができる。あるいは、導電性ポリマーをゲート電極として堆積してもよい。このような導電性ポリマーは、例えば、スピンコートやインクジェット印刷技術、及び上述の他の溶液堆積技術を用いて溶液から堆積してもよい。
ゲート電極は、金属（例えば、金）や金属化合物（例えば、酸化インジウムスズ）などの広範囲な導電材料から選択することができる。あるいは、導電性ポリマーをゲート電極として堆積してもよい。このような導電性ポリマーは、例えば、スピンコートやインクジェット印刷技術、及び上述の他の溶液堆積技術を用いて溶液から堆積してもよい。
ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の厚さは５〜２００ｎｍの範囲であってよいが、典型的には、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）での測定で５０ｎｍである。
（誘電体層）
誘電体層は、高抵抗率を持つ絶縁材料から選択した誘電体から構成される。この誘電体の誘電率ｋは典型的には２〜３程度であるが、ＯＴＦＴに実現可能な容量はｋに正比例し、ドレイン電流ＩＤはこの容量に正比例するので、高い値のｋを持つ材料が望ましい。従って、低動作電圧で高ドレイン電流を実現するためには、チャンネル領域において薄い誘電体層を持つＯＴＦＴが好ましい。
誘電体層は、高抵抗率を持つ絶縁材料から選択した誘電体から構成される。この誘電体の誘電率ｋは典型的には２〜３程度であるが、ＯＴＦＴに実現可能な容量はｋに正比例し、ドレイン電流ＩＤはこの容量に正比例するので、高い値のｋを持つ材料が望ましい。従って、低動作電圧で高ドレイン電流を実現するためには、チャンネル領域において薄い誘電体層を持つＯＴＦＴが好ましい。
誘電体は有機でも無機でもよい。好ましい無機材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、スピンオンガラス（ＳＯＧ）がある。好ましい有機材料は一般的にポリマーであるが、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピロリジン（ＰＶＰ）などの絶縁ポリマー類、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのアクリレート類、ダウコーニングより入手可能なベンゾシクロブタン（ＢＣＢ）類がある。この絶縁層は、複数材料の混合物から形成してもよいし、あるいは、複数層構造から構成されてもよい。
この誘電体は、当業で公知の熱蒸発、真空処理、あるいは積層技術によって堆積してもよい。あるいは、この誘電体は、例えば、スピンコートやインクジェット印刷技術、及び上述の他の溶液堆積技術を用いて溶液から堆積してもよい。
誘電体を溶液から有機半導体上に堆積する場合、有機半導体の溶解を生じてはいけない。同様に、有機半導体を溶液から誘電体に堆積する場合も、誘電体が溶解してはいけない。そうした溶解を回避する技術には、直交溶媒の使用や下層の架橋がある。直交溶媒の使用とは、下層を溶解しない溶媒を最上層堆積用に使用することである。
この絶縁層の厚さは２ミクロン未満が好ましい。
（他の層）
デバイス構造に他の層が含まれてもよい。例えば、自己組織化単層膜（ＳＡＭ）をゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、基板、絶縁層、有機半導体材料上に堆積して、必要に応じて、結晶性を促進したり、接触抵抗を減少したり、表面特性を修復したり、付着性を促進したりしてもよい。特に、チャンネル領域における誘電体表面には、結合領域と有機領域を備える単層を設けて、例えば有機半導体の形態（特にポリマー配列と結晶化度）を改善し、特に高ｋ誘電体表面に対しては電荷トラップを覆うことによってデバイス性能を改善してもよい。このような単層の材料の例としては、例えばオクタデシルトリクロロシランなど、長鎖アルキル基を持つクロロシラン又はアルコキシシランがある。
デバイス構造に他の層が含まれてもよい。例えば、自己組織化単層膜（ＳＡＭ）をゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、基板、絶縁層、有機半導体材料上に堆積して、必要に応じて、結晶性を促進したり、接触抵抗を減少したり、表面特性を修復したり、付着性を促進したりしてもよい。特に、チャンネル領域における誘電体表面には、結合領域と有機領域を備える単層を設けて、例えば有機半導体の形態（特にポリマー配列と結晶化度）を改善し、特に高ｋ誘電体表面に対しては電荷トラップを覆うことによってデバイス性能を改善してもよい。このような単層の材料の例としては、例えばオクタデシルトリクロロシランなど、長鎖アルキル基を持つクロロシラン又はアルコキシシランがある。
（ＯＴＦＴ用途）
本発明の実施例によるＯＴＦＴは幅広い潜在用途範囲を持つ。このような用途の１つは、光学デバイス、好適には有機光学デバイスにおけるピクセルを駆動することである。このような光学デバイスの例としては、光反応デバイス、特に光検出器、そして発光デバイス、特に有機発光デバイスがある。ＯＴＦＴは、特に、アクティブマトリックス有機発光デバイスでの使用、例えば、ディスプレイ用途での使用に適する。有機発光デバイスは、陽極と、陰極と、その間の有機発光材料から構成される層とを有する。この有機発光材料は、陽極と陰極に電位差が加わると発光する。発光材料の層の他、電荷輸送又は阻止層や励起子阻止層を陽極と陰極の間に設けてもよい。
本発明の実施例によるＯＴＦＴは幅広い潜在用途範囲を持つ。このような用途の１つは、光学デバイス、好適には有機光学デバイスにおけるピクセルを駆動することである。このような光学デバイスの例としては、光反応デバイス、特に光検出器、そして発光デバイス、特に有機発光デバイスがある。ＯＴＦＴは、特に、アクティブマトリックス有機発光デバイスでの使用、例えば、ディスプレイ用途での使用に適する。有機発光デバイスは、陽極と、陰極と、その間の有機発光材料から構成される層とを有する。この有機発光材料は、陽極と陰極に電位差が加わると発光する。発光材料の層の他、電荷輸送又は阻止層や励起子阻止層を陽極と陰極の間に設けてもよい。
本発明の実施例による有機薄膜トランジスタは、有機発光ディスプレイと多くの共通構造的特徴を持ち、同様な技術及び材料を用いて形成可能である。例えば、本発明の誘電体層は、有機発光ディスプレイのピクセルを画成するバンク構造に用いる誘電体層と同一材料で形成してもよい。従って、有利な一構成によれば、有機薄膜トランジスタとアクティブマトリックス有機発光ディスプレイの有機発光ピクセルは共通の基板上に形成され、ここで説明した誘電体層が有機発光ピクセルのバンク構造を形成する。
ＯＴＦＴと光学的アクティブピクセル領域（例えば発光あるいは感光ピクセル領域）を備えるピクセル回路が更なる素子を有してもよいことは理解されるであろう。特に、ＯＬＥＤピクセル回路は駆動トランジスタとして本発明によるＯＴＦＴを有してもよく、典型的には、駆動トランジスタと少なくとも１つのコンデンサに加えて少なくとも１つの別の（有機あるいは無機）トランジスタを有する。
本発明を特にその好適な実施例を参照して示して説明してきたが、付属請求項に定義される本発明の範囲から逸脱することなく形式や詳細の様々な変更を発明に施すことができることは当業者には理解されるであろう。
Claims (8)
- チャンネル領域を介在させたソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、前記ソース電極及びドレイン電極と前記ゲート電極との間に配置した誘電体層とを備える構造を提供することと、
前記ソース電極及びドレイン電極をマスクとして用いて前記誘電体層をパターニングし、前記チャンネル領域に隣接する誘電体の領域よりも薄い誘電体の領域を前記チャンネル領域に形成することと、
を含む、有機薄膜トランジスタを形成する方法であって、
前記チャンネル領域における前記誘電体は、３００ｎｍを超える厚さになるまで堆積され、前記厚さは、エッチングにより少なくとも３００ｎｍ減少し、
前記誘電体層のパターニング前後で前記チャンネル領域における前記誘電体層の厚さの比が少なくとも２：１であり、
前記有機薄膜トランジスタはボトムゲート型であり、
前記構造を提供することは、基板上に前記ゲート電極を形成することと、前記ゲート電極上に前記誘電体層を形成することと、前記ゲート電極上に位置するチャンネル領域を間に置いて間隔を隔てるように前記ソース電極及びドレイン電極を前記誘電体層上に形成することとを含み、
前記パターニングをすることは、前記ソース電極及びドレイン電極をエッチングマスクとして用いて前記チャンネル領域における前記誘電体層をエッチングして、前記チャンネル領域における前記誘電体層の厚さを減少させることを含み、
前記方法は、前記ソース電極及びドレイン電極間の少なくとも前記チャンネル領域において有機半導体材料の層を形成することを更に含み、
前記誘電体層は、有機材料から構成され、
前記誘電体層は、溶液堆積技術により溶液から堆積可能な材料から構成され、
前記誘電体層は、有機フォトレジストから構成され、
前記パターニングすることは、前記誘電体層を架橋することと、前記ソース電極及びドレイン電極をマスクとして用いて前記誘電体層を前記チャンネル領域では露出させて前記ソース電極及びドレイン電極の背後では陰にした状態で前記誘電体層を光で露光して、前記光がチャンネル領域における前記誘電体層の前記架橋を破壊することとを含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタを形成する方法。 - 前記チャンネル領域における前記誘電体の表面を処理して前記パターニングによる損傷を修復することを更に含む、請求項１に記載の方法。
- 前記処理は、前記チャンネル領域における前記誘電体の前記表面上に蓋層を提供することを含む、請求項２に記載の方法。
- 前記蓋層は自己組織化単層膜から構成される、請求項３に記載の方法。
- 前記有機半導体材料は、前記誘電体のより薄い領域によって定められるウェル内にプリントされる、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
- 請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法によって形成される有機薄膜トランジスタ。
- 請求項６に記載の有機薄膜トランジスタを備えた有機発光デバイス。
- 基板と、基板上に配置したゲート電極と、前記ゲート電極上に配置した誘電体層と、前記ゲート電極上に位置するチャンネル領域を間に置いて間隔を隔てるように前記誘電体層上に配置したソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極間の少なくとも前記チャンネル領域に配置した有機半導体材料の層とを備え、
前記ソース電極及びドレイン電極間の前記チャンネル領域における前記誘電体層は、前記ソース電極及びドレイン電極の下の領域よりも薄い、有機薄膜トランジスタであって、
前記チャンネル領域における前記誘電体層は、前記ソース電極及びドレイン電極をマスクとして用いて前記誘電体層をパターニングすることによって形成され、
前記チャンネル領域における前記誘電体は、３００ｎｍを超える厚さになるまで堆積され、前記厚さは、エッチングにより少なくとも３００ｎｍ減少し、
前記誘電体層のパターニング前後で前記チャンネル領域における前記誘電体層の厚さの比が少なくとも２：１であり、
前記有機薄膜トランジスタはボトムゲート型であり、
前記パターニングは、前記ソース電極及びドレイン電極をエッチングマスクとして用いて前記チャンネル領域における前記誘電体層をエッチングして、前記チャンネル領域における前記誘電体層の厚さを減少させることを含み、
前記誘電体層は、有機材料から構成され、
前記誘電体層は、溶液堆積技術により溶液から堆積可能な材料から構成され、
前記誘電体層は、有機フォトレジストから構成され、
前記パターニングは、前記誘電体層を架橋することと、前記ソース電極及びドレイン電極をマスクとして用いて前記誘電体層を前記チャンネル領域では露出させて前記ソース電極及びドレイン電極の背後では陰にした状態で前記誘電体層を光で露光して、前記光がチャンネル領域における前記誘電体層の前記架橋を破壊することとを含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
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