JP5605705B2 - Vertical field effect transistor - Google Patents

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Description

本発明は、互いに対向する対の面領域に配置されたソース電極とドレイン電極の間に半導体チャンネル部を延在させて、半導体チャンネル部に形成される伝導チャンネルをゲート電極から印加する電界により制御する縦型電界効果トランジスタに関する。   In the present invention, a semiconductor channel portion is extended between a source electrode and a drain electrode arranged in a pair of surface regions facing each other, and a conduction channel formed in the semiconductor channel portion is controlled by an electric field applied from the gate electrode. The present invention relates to a vertical field effect transistor.

大電流を流すことが可能で、高い動作速度の実現が可能な電界効果型トランジスタとして、縦型トランジスタが知られている。縦型トランジスタの一例を、図10に示す(例えば引用文献1を参照)。図10は、従来例の縦型トランジスタの断面図である。   A vertical transistor is known as a field effect transistor capable of flowing a large current and realizing a high operation speed. An example of the vertical transistor is shown in FIG. 10 (see, for example, cited document 1). FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional vertical transistor.

この縦型トランジスタは、基板30上に、ドレイン電極31、キャリヤ移動層32、ソース電極33が積層された構造を有する。キャリヤ移動層32の側部(サイド)には、絶縁膜34を介してゲート電極35が設けられている。ゲート電極35に印加する制御電圧により、キャリヤ移動層32中に形成される伝導チャンネルが制御される。   This vertical transistor has a structure in which a drain electrode 31, a carrier moving layer 32, and a source electrode 33 are stacked on a substrate 30. A gate electrode 35 is provided on the side of the carrier moving layer 32 with an insulating film 34 interposed therebetween. A conduction channel formed in the carrier moving layer 32 is controlled by a control voltage applied to the gate electrode 35.

このような縦型トランジスタは、従来のMOSトランジスタなどの横型電界効果型トランジスタの場合の、伝導層の水平方向に電流を流す構造と異なり、伝導層の垂直方向に電流を流す構造である。従って、キャリヤの移動距離を短くすることができる。すなわち、トランジスタの電流経路であるチャネル長を、キャリヤ移動層32の厚さ程度に短くすることが可能である。このため、キャリヤ移動層32にキャリヤ移動度の低い半導体を用いても、スイッチング速度が大きく、またオン状態の出力電流値の大きいFETとなる。   Such a vertical transistor has a structure in which current flows in the vertical direction of the conductive layer, unlike a structure in which current flows in the horizontal direction of the conductive layer in the case of a horizontal field effect transistor such as a conventional MOS transistor. Accordingly, the moving distance of the carrier can be shortened. That is, the channel length that is the current path of the transistor can be shortened to the thickness of the carrier moving layer 32. For this reason, even if a semiconductor having a low carrier mobility is used for the carrier moving layer 32, the FET has a high switching speed and a large on-state output current value.

また、上記縦型トランジスタの構造であれば、単純な蒸着法等を用いて容易に作製することができる。従来のFETではソース電極、チャネル、ドレイン電極、ゲート電極を形成するために複数回のリソグラフィー工程が必要であったのに対して、この縦型トランジスタ構造では、ソース電極、キャリヤ移動層(有機半導体層)、ドレイン電極層が基板上に順に積層されているからである。   In addition, the structure of the vertical transistor can be easily manufactured using a simple vapor deposition method or the like. In the conventional FET, a plurality of lithography processes are required to form the source electrode, the channel, the drain electrode, and the gate electrode, whereas in this vertical transistor structure, the source electrode, the carrier moving layer (organic semiconductor) This is because the layer) and the drain electrode layer are sequentially laminated on the substrate.

縦型トランジスタはこのような特徴を有しているため、例えば、高速応答性を要求される有機EL層などの発光層の制御素子(スイッチング素子と呼ぶ場合もある)として、横型トランジスタよりも適しているものと考えられている。   Since the vertical transistor has such characteristics, for example, it is more suitable as a control element (sometimes referred to as a switching element) for a light emitting layer such as an organic EL layer that requires high-speed response than a horizontal transistor. It is thought that

特開2003−282884号公報JP 2003-28284 A

上記従来の縦型トランジスタは、横型のトランジスタに対して、得られるオン電流値は向上するものの、オン状態の抵抗値が十分に低くなるとは言えず、オン電流量の増大には限界がある。そのため、例えば、全有機ELディスプレイ画素のスイッチング用の有機トランジスタとしては、高いコントラストのために必要なオン−オフ比を十分に高く得ることが困難であった。   Although the above-described conventional vertical transistor improves the obtained on-current value as compared with the horizontal transistor, it cannot be said that the on-state resistance value is sufficiently low, and there is a limit to increasing the amount of on-current. Therefore, for example, as an organic transistor for switching of all organic EL display pixels, it has been difficult to obtain a sufficiently high on-off ratio necessary for high contrast.

本発明は、上記従来の課題を解決して、オン時の電流量を増大させ、また、高いオン−オフ比を得ることが可能な縦型電界効果トランジスタを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and to provide a vertical field effect transistor capable of increasing the amount of current at the time of ON and obtaining a high on-off ratio.

上記課題を解決するために、本発明の縦型電界効果トランジスタは、単一の電界効果トランジスタ素子構造を形成する要素として、樹脂製の基板であって、その表面に複数の凸部及び前記凸部間の凹部からなる凹凸表面が一体的に形成された絶縁基板と、前記絶縁基板の前記凹凸表面上に設けられた導電層により形成されたゲート電極と、前記導電層の表面上に設けられた絶縁層により形成されたゲート絶縁部と、少なくとも前記凸部の頂部領域及び側壁面領域に亘って連続して前記絶縁層の表面上に設けられた半導体層により形成された複数の半導体チャンネル部と、前記凹部の各々に前記半導体層と接触させて設けられ互いに接続されて一体の電極として機能する複数の底部電極層により形成されたソース電極/ドレイン電極と、前記凸部の各々における頂部領域に前記半導体層と接触させて設けられ互いに接続されて一体の電極として機能する複数の頂部電極層により形成されたドレイン電極/ソース電極とを備え、前記ゲート電極にゲート電圧を印加したときに、前記ゲート絶縁部を介して作用する電界により前記複数の半導体チャンネル部の各々に一括して電気伝導経路が形成されることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the vertical field effect transistor of the present invention is a resin substrate as an element for forming a single field effect transistor element structure, and has a plurality of protrusions and the protrusions on the surface thereof. An insulating substrate integrally formed with a concave-convex surface comprising concave portions between the parts, a gate electrode formed by a conductive layer provided on the concave-convex surface of the insulating substrate, and provided on the surface of the conductive layer A plurality of semiconductor channel portions formed by a semiconductor layer provided on the surface of the insulating layer continuously over at least the top region and the side wall surface region of the convex portion. A source electrode / drain electrode formed by a plurality of bottom electrode layers provided in contact with the semiconductor layer in each of the recesses and connected to each other and functioning as an integral electrode; Each having a drain electrode / source electrode formed by a plurality of top electrode layers that are provided in contact with the semiconductor layer and are connected to each other and function as an integrated electrode, and a gate voltage is applied to the gate electrode. upon application, you characterized in that electrically conductive paths are formed collectively by an electric field acting through the gate insulating portion to each of the plurality of semiconductor channel portion.

上記構成の縦型電界効果トランジスタによれば、複数の半導体チャンネル部の各々に電気伝導経路が形成されることにより、電気伝導経路の断面積を大きく取ることができるので、電流量を容易に増大させることができ、高いオン−オフ比を得ることができる。   According to the vertical field effect transistor having the above-described configuration, since the electric conduction path is formed in each of the plurality of semiconductor channel portions, it is possible to increase the cross-sectional area of the electric conduction path, thereby easily increasing the current amount. And a high on-off ratio can be obtained.

以上のような効果により、例えば、全有機ELディスプレイ画素の駆動に用いた場合、スイッチング効率を格段に高めることができる。   Due to the above effects, for example, when used for driving all organic EL display pixels, the switching efficiency can be remarkably increased.

実施の形態1における縦型電界効果トランジスタの断面図Sectional drawing of the vertical field effect transistor in Embodiment 1 図1AにおけるA1−A1線に沿った断面で示した同縦型電界効果トランジスタの平面図FIG. 1A is a plan view of the same vertical field effect transistor shown in a cross section along the line A1-A1 in FIG. 1A. 実施の形態2における縦型電界効果トランジスタの断面図Sectional drawing of the vertical field effect transistor in Embodiment 2 図2AにおけるB1−B1線に沿った断面で示した同縦型電界効果トランジスタの平面図FIG. 2A is a plan view of the same vertical field-effect transistor shown in a cross section along line B1-B1 実施の形態3における縦型電界効果トランジスタの断面図Sectional drawing of the vertical field effect transistor in Embodiment 3 図3AにおけるC1−C1線に沿った断面で示した同縦型電界効果トランジスタの平面図FIG. 3A is a plan view of the same vertical field-effect transistor shown in a section taken along line C1-C1 in FIG. 3A. 実施の形態4における縦型電界効果トランジスタの斜視図Perspective view of a vertical field effect transistor according to Embodiment 4 図4AにおけるD−D線に沿った断面の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the cross section along the DD line in FIG. 4A 図4AにおけるD−D線に沿った断面の他の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the other structure of the cross section along the DD line in FIG. 4A 図4AにおけるD−D線に沿った断面の更に他の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the other structure of the cross section along the DD line in FIG. 4A 実施の形態4における縦型電界効果トランジスタの製造方法の工程を示す斜視図The perspective view which shows the process of the manufacturing method of the vertical field effect transistor in Embodiment 4. 同製造方法の図5Aの工程の後の工程を示す斜視図The perspective view which shows the process after the process of FIG. 5A of the manufacturing method 同製造方法の図5Bの工程の後の工程を示す斜視図The perspective view which shows the process after the process of FIG. 5B of the manufacturing method 同製造方法の図5Cの工程の後の工程を示す斜視図The perspective view which shows the process after the process of FIG. 5C of the manufacturing method 実施の形態4における縦型電界効果トランジスタの伝達特性を示す図The figure which shows the transfer characteristic of the vertical field effect transistor in Embodiment 4 実施の形態5における縦型電界効果トランジスタの断面図Sectional drawing of the vertical field effect transistor in Embodiment 5 実施の形態6における縦型電界効果トランジスタの断面図Sectional drawing of the vertical field effect transistor in Embodiment 6 実施の形態7における縦型電界効果トランジスタアレイ装置の一部を示す斜視図A perspective view showing a part of a vertical field effect transistor array device according to Embodiment 7 従来例の縦型トランジスタの断面図Sectional view of a conventional vertical transistor

本発明の縦型電界効果トランジスタは、上記構成を基本として、以下のような態様を取ることができる。   The vertical field effect transistor of the present invention can take the following aspects based on the above-described configuration.

すなわち、前記ゲート絶縁部を電解質により構成することができる。ゲート絶縁部に電解質を用いることにより、半導体に対して容易に電界を作用させることができる。また、前記電解質としてイオン液体電解質を用いることが好ましい。それにより、特に高速応答性を向上させることが可能である。   That is, the gate insulating part can be formed of an electrolyte. By using an electrolyte for the gate insulating portion, an electric field can be easily applied to the semiconductor. Moreover, it is preferable to use an ionic liquid electrolyte as the electrolyte. Thereby, it is possible to improve the high-speed response particularly.

また、前記ゲート絶縁部が誘電体と電解質の組み合わせにより構成され、前記ゲート電極にゲート電圧を印加したときに、前記電解質を介して作用する電界により前記複数の半導体チャンネル部の各々に一括して電気伝導経路が形成される構成とすることができる。   In addition, the gate insulating part is configured by a combination of a dielectric and an electrolyte, and when a gate voltage is applied to the gate electrode, an electric field acting through the electrolyte collectively causes each of the plurality of semiconductor channel parts. An electric conduction path may be formed.

また、前記ゲート電極は、前記複数の半導体チャンネル部の間に分散して配置された複数の分散ゲート電極を含み、前記ゲート電極にゲート電圧を印加したときに、前記分散ゲート電極の各々から前記電解質を介して作用する電界により、前記複数の半導体チャンネル部の各々に一括して電気伝導経路が形成される構成とすることができる。   In addition, the gate electrode includes a plurality of distributed gate electrodes arranged in a distributed manner between the plurality of semiconductor channel portions, and when a gate voltage is applied to the gate electrode, the gate electrode An electric conduction path can be formed collectively in each of the plurality of semiconductor channel portions by an electric field acting through the electrolyte.

また、前記ゲート絶縁部が誘電体により構成され、前記ゲート電極は、前記半導体チャンネル部の各々に対応させて分散して配置された複数の分散ゲート電極を含み、前記ゲート電極にゲート電圧を印加したときに、各々の前記分散ゲート電極から前記誘電体を介して作用する電界により、前記複数の半導体チャンネル部の各々に一括して電気伝導経路が形成される構成とすることができる。   Further, the gate insulating part is made of a dielectric, and the gate electrode includes a plurality of distributed gate electrodes arranged in correspondence with each of the semiconductor channel parts, and a gate voltage is applied to the gate electrode. In this case, an electric conduction path can be collectively formed in each of the plurality of semiconductor channel portions by an electric field acting via the dielectric from each of the distributed gate electrodes.

また、前記ゲート絶縁部は、前記複数の半導体チャンネル部の間に介在し、前記半導体チャンネル部の相互間を電気的に分離している構成とすることが好ましい。   The gate insulating part may be interposed between the plurality of semiconductor channel parts to electrically isolate the semiconductor channel parts from each other.

また、前記半導体チャンネル部は、自己組織化による分子材料成長により形成することができる。   The semiconductor channel part can be formed by molecular material growth by self-organization.

上記基本構成における、ソース電極からドレイン電極に亘って延在する複数の半導体チャンネル部は、以下のように、凹凸表面を有する基板(凹凸基板)を用いて形成されていることが好ましい。   In the above basic configuration, the plurality of semiconductor channel portions extending from the source electrode to the drain electrode are preferably formed using a substrate having an uneven surface (uneven substrate) as follows.

すなわち、凹凸基板を用いた第1の構成として、複数の凸部及び前記凸部間の凹部により形成された凹凸表面を有する絶縁基板を備え、前記ゲート電極は、前記絶縁基板の前記凹凸表面上に設けられた導電層により形成され、前記ゲート絶縁部は、前記導電層の表面上に設けられた絶縁層により形成され、前記半導体チャンネル部は、少なくとも前記凸部の頂部領域及び側壁面領域に亘って連続して前記絶縁層の表面上に設けられた半導体層により形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の一方は、前記凹部の各々における前記絶縁層の表面上に前記半導体層と接触させて設けられた複数の電極層が接続されて一体の電極として機能する底部電極層により形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の他方は、前記凸部の各々における頂部領域に前記半導体層と接触させて設けられた複数の電極層が接続されて一体の電極として機能する頂部電極層により形成された構成とすることができる。   That is, as a first configuration using an uneven substrate, an insulating substrate having an uneven surface formed by a plurality of convex portions and concave portions between the convex portions is provided, and the gate electrode is provided on the uneven surface of the insulating substrate. The gate insulating portion is formed by an insulating layer provided on the surface of the conductive layer, and the semiconductor channel portion is at least in the top region and the side wall surface region of the convex portion. A semiconductor layer provided on the surface of the insulating layer continuously, and one of the source electrode and the drain electrode is in contact with the semiconductor layer on the surface of the insulating layer in each of the recesses. A plurality of electrode layers connected to each other and formed as a bottom electrode layer functioning as an integral electrode, and the other of the source electrode and the drain electrode is formed on each of the convex portions. Kicking a plurality of electrode layers provided in contact with the semiconductor layer in the top region is connected can be configured which is formed by the top electrode layer serving as an integral electrode.

また、凹凸基板を用いた第2の構成として、複数の凸部及び前記凸部間の凹部により形成された凹凸表面を有する絶縁基板を備え、前記半導体チャンネル部は、少なくとも前記凸部の頂部領域及び側壁面領域に亘って連続して前記絶縁層の表面上に設けられた半導体層により形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の一方は、前記凹部の各々における前記絶縁層の表面上に前記半導体層と接触させて設けられた複数の電極層が接続されて一体の電極として機能する底部電極層により形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の他方は、前記凸部の各々における頂部領域に前記半導体層と接触させて設けられた複数の電極層が接続されて一体の電極として機能する頂部電極層により形成され、前記ゲート絶縁部は、少なくとも前記凸部の側壁面領域の表面上に形成された前記半導体層に接触させて設けられた電解質層により形成され、前記ゲート電極は、前記電解質層と接触して設けられた電解質層用電極により形成された構成とすることができる。   Further, as a second configuration using the concavo-convex substrate, an insulating substrate having a concavo-convex surface formed by a plurality of convex portions and concave portions between the convex portions is provided, and the semiconductor channel portion is at least a top region of the convex portion. And a semiconductor layer provided on the surface of the insulating layer continuously over the side wall surface region, and one of the source electrode and the drain electrode is formed on the surface of the insulating layer in each of the recesses. A plurality of electrode layers provided in contact with the semiconductor layer are connected to form a bottom electrode layer that functions as an integral electrode, and the other of the source electrode and the drain electrode is formed in a top region of each of the convex portions. A plurality of electrode layers provided in contact with the semiconductor layer are connected to form a top electrode layer functioning as an integral electrode, and the gate insulating portion is at least a front electrode Formed by an electrolyte layer provided in contact with the semiconductor layer formed on the surface of the side wall surface region of the protrusion, and the gate electrode is formed by an electrode for an electrolyte layer provided in contact with the electrolyte layer It can be set as the structure made.

また、凹凸基板を用いた第3の構成として、複数の凸部及び前記凸部間の凹部により形成された凹凸表面を有する導電性基板を備え、前記ゲート電極は、前記導電性基板により形成され、前記ゲート絶縁部は、前記導電性基板の前記凹凸表面上に設けられた絶縁層により形成され、前記半導体チャンネル部は、少なくとも前記凸部の頂部領域及び側壁面領域に亘って連続して前記絶縁層の表面上に設けられた半導体層により形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の一方は、前記凹部の各々における前記絶縁層の表面上に前記半導体層と接触させて設けられた複数の電極層が接続されて一体の電極として機能する底部電極層により形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の他方は、前記凸部の各々における頂部領域に前記半導体層と接触させて設けられた複数の電極層が接続されて一体の電極として機能する頂部電極層により形成された構成とすることができる。   Further, as a third configuration using the concavo-convex substrate, a conductive substrate having a concavo-convex surface formed by a plurality of convex portions and concave portions between the convex portions is provided, and the gate electrode is formed by the conductive substrate. The gate insulating part is formed by an insulating layer provided on the concavo-convex surface of the conductive substrate, and the semiconductor channel part continuously extends over at least the top region and the side wall surface region of the convex part. A plurality of semiconductor layers provided on the surface of the insulating layer, wherein one of the source electrode and the drain electrode is provided in contact with the semiconductor layer on the surface of the insulating layer in each of the recesses; An electrode layer is connected to form a bottom electrode layer that functions as an integral electrode, and the other of the source electrode and the drain electrode is connected to the top region of each of the convex portions. Are connected to the plurality of electrode layers provided in contact with the body layer can be a configuration defined by the top electrode layer serving as an integral electrode.

また、上記凹凸基板を用いたいずれかの構成において、前記絶縁基板が可撓性を有する材質により形成されることが好ましい。特に、前記絶縁基板が樹脂により形成されることが好ましい。   In any configuration using the uneven substrate, the insulating substrate is preferably formed of a flexible material. In particular, the insulating substrate is preferably formed of a resin.

また、上記凹凸基板を用いたいずれかの構成において、前記半導体層が前記凸部の側壁面領域から連続して前記凹部の表面上の少なくとも一部にも形成されることが好ましい。   Moreover, in any configuration using the concavo-convex substrate, it is preferable that the semiconductor layer is continuously formed on at least a part of the surface of the concave portion from the side wall surface region of the convex portion.

また、前記頂部電極層および前記底部電極層が前記半導体層の上面に形成されることが好ましい。   The top electrode layer and the bottom electrode layer are preferably formed on an upper surface of the semiconductor layer.

また、上記凹凸基板を用いたいずれかの構成において、前記基板の面上に互いに平行に配列された複数本の筋状突起部とそれらを一方の端部で連結する連結部とからなる櫛型隆起領域が設けられて、前記筋状突起部の各々が前記凸部を形成し、前記筋状突起部の相互間の複数の間隙の各々が前記凹部を形成し、前記櫛型隆起領域の櫛の歯の先端に対向する領域に、複数の前記凹部毎に形成された複数の前記底部電極層を連結する底部連結電極部が形成され、前記櫛型隆起領域の前記連結部の領域に、前記複数の頂部電極層を連結する頂部連結電極部が形成された構成とすることができる。   Further, in any configuration using the concavo-convex substrate, a comb shape comprising a plurality of streak-like protrusions arranged in parallel to each other on the surface of the substrate and a connecting part for connecting them at one end. A raised region is provided, each of the streaky projections forms the convex portion, and each of a plurality of gaps between the streaky projections forms the concave portion, and the comb of the comb-shaped raised region A bottom connection electrode portion that connects the plurality of bottom electrode layers formed for each of the plurality of recesses is formed in a region facing the tip of the tooth of the tooth, and in the region of the connection portion of the comb-shaped ridge region, It can be set as the structure in which the top connection electrode part which connects several top electrode layers was formed.

この場合、前記基板の面方向における前記筋状突起部の幅をW、前記筋状突起部同士の間隔をSとすると、S/W≦10の条件を満たすことが好ましい。   In this case, it is preferable that the condition of S / W ≦ 10 is satisfied, where W is the width of the streak protrusions in the surface direction of the substrate and S is the interval between the streak protrusions.

前記基板の面方向における前記筋状突起部の幅をW、前記筋状突起部の前記凹部表面からの高さをHとすると、H/W≧0.3の条件を満たすことが好ましい。   It is preferable that the condition of H / W ≧ 0.3 is satisfied, where W is the width of the streak protrusion in the surface direction of the substrate and H is the height of the streak protrusion from the recess surface.

また、上記凹凸基板を用いたいずれかの構成において、前記基板の面上に互いに離間した複数の島状突起部が設けられて、前記島状突起部の各々が前記複数の凸部を形成し、前記島状突起部の相互間の間隙が前記凹部を形成する構成とすることができる。   Further, in any configuration using the concavo-convex substrate, a plurality of island-shaped projections spaced from each other are provided on the surface of the substrate, and each of the island-shaped projections forms the plurality of projections. The gap between the island-shaped protrusions may form the recess.

上記いずれかの構成において、前記半導体チャンネル部は、有機半導体により構成することができる。   In any one of the configurations described above, the semiconductor channel portion can be configured by an organic semiconductor.

また、上記いずれかの構成の縦型電界効果トランジスタを複数個配列して、トランジスタアレイ装置を構成することができる。   In addition, a transistor array device can be configured by arranging a plurality of vertical field effect transistors having any of the above configurations.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1Aは、実施の形態1における縦型電界効果トランジスタの断面図、図1Bは、図1AにおけるA1−A1線に沿った断面で示した平面図である。なお、図1Aは、図1BにおけるA2−A2線に沿った断面を示す。
(Embodiment 1)
1A is a cross-sectional view of a vertical field effect transistor according to Embodiment 1, and FIG. 1B is a plan view showing a cross section taken along line A1-A1 in FIG. 1A. 1A shows a cross section taken along line A2-A2 in FIG. 1B.

図1A及び図1Bは、単一の縦型電界効果トランジスタ素子構造を形成する要素を示したものである。ソース電極1とドレイン電極2は、互いに対向する対の面領域に各々配置されている。ソース電極1とドレイン電極2の間には、ソース電極1からドレイン電極2に亘って延在する複数の半導体チャンネル部3が設けられている。すなわち、半導体チャンネル部3の群が形成されている。図1Bに示すように、半導体チャンネル部3は、ソース電極1及びドレイン電極2の面内の領域に2次元的に配置されている。   1A and 1B show the elements that form a single vertical field effect transistor device structure. The source electrode 1 and the drain electrode 2 are respectively disposed in a pair of surface regions facing each other. A plurality of semiconductor channel portions 3 extending from the source electrode 1 to the drain electrode 2 are provided between the source electrode 1 and the drain electrode 2. That is, a group of semiconductor channel portions 3 is formed. As shown in FIG. 1B, the semiconductor channel portion 3 is two-dimensionally arranged in a region in the plane of the source electrode 1 and the drain electrode 2.

複数の半導体チャンネル部3の間には電解質4が介在し、ゲート絶縁部として機能する。また、電解質4は、複数の半導体チャンネル部3を相互に電気的に分離している。ゲート絶縁部である電解質4に接して、ゲート電極5が設けられている。ゲート電極5は、半導体チャンネル部3の側方に隣接して配置され、電解質4を介して複数の半導体チャンネル部3に対して一括して電界を作用させることができる。   An electrolyte 4 is interposed between the plurality of semiconductor channel portions 3 and functions as a gate insulating portion. The electrolyte 4 electrically separates the plurality of semiconductor channel portions 3 from each other. A gate electrode 5 is provided in contact with the electrolyte 4 which is a gate insulating portion. The gate electrode 5 is disposed adjacent to the side of the semiconductor channel portion 3 and can apply an electric field to the plurality of semiconductor channel portions 3 collectively via the electrolyte 4.

すなわち、ソース電極1またはドレイン電極2とゲート電極5の間にゲート電圧が印加され、半導体チャンネル部3に電界が作用したときに、複数の半導体チャンネル部3の各々に一括して電気伝導経路が形成される。例えば、0.5V程度のゲート電圧を加えると、電解質4の半導体チャンネル部3に接する表面付近に、電気二重層が形成される。電気二重層にかかる電界による電界効果によって、半導体チャンネル部3の電解質2に接する表面に電気伝導性を担う電荷が現れる。電気二重層を利用することによって、小さいゲート電圧でも、半導体チャンネル部3に高い電界をかけることが可能になり、それに伴ってより多くのキャリアの注入が可能になる。   That is, when a gate voltage is applied between the source electrode 1 or drain electrode 2 and the gate electrode 5 and an electric field is applied to the semiconductor channel portion 3, an electric conduction path is collectively formed in each of the plurality of semiconductor channel portions 3. It is formed. For example, when a gate voltage of about 0.5 V is applied, an electric double layer is formed near the surface of the electrolyte 4 in contact with the semiconductor channel portion 3. Due to the electric field effect due to the electric field applied to the electric double layer, a charge responsible for electric conductivity appears on the surface of the semiconductor channel portion 3 in contact with the electrolyte 2. By using the electric double layer, it is possible to apply a high electric field to the semiconductor channel portion 3 even with a small gate voltage, and accordingly, more carriers can be injected.

このように、ゲート電極5に印加する電圧による電界効果に基づき、複数の電気伝導経路について一括して伝導度を制御することができる。複数の半導体チャンネル部3の各々に電気伝導経路が形成されることにより、単一の素子内に単一の半導体チャンネル部しか持たない従来構造の縦型電界効果トランジスタと比べて、実質的な電気伝導経路の断面積が格段に増大し、ソース電極1とドレイン電極2の間を流れる電流量を大幅に増大させることが可能である。また、ソース電極1とドレイン電極2の間の領域における電流密度が、従来例に比べて増大する。   Thus, based on the electric field effect by the voltage applied to the gate electrode 5, the conductivity can be collectively controlled for a plurality of electric conduction paths. By forming an electric conduction path in each of the plurality of semiconductor channel portions 3, it is possible to substantially reduce electric power compared with a vertical field effect transistor having a conventional structure having only a single semiconductor channel portion in a single element. The cross-sectional area of the conduction path is remarkably increased, and the amount of current flowing between the source electrode 1 and the drain electrode 2 can be greatly increased. Further, the current density in the region between the source electrode 1 and the drain electrode 2 is increased as compared with the conventional example.

上記構成において、半導体チャンネル部3としては、高分子有機半導体、低分子有機半導体、有機半導体結晶等の有機半導体、無機半導体、有機結晶、電荷移動錯体、電荷移動錯体結晶、カーボンナノチューブ等を用いることができる。   In the above configuration, as the semiconductor channel portion 3, an organic semiconductor such as a high molecular organic semiconductor, a low molecular organic semiconductor, or an organic semiconductor crystal, an inorganic semiconductor, an organic crystal, a charge transfer complex, a charge transfer complex crystal, a carbon nanotube, or the like is used. Can do.

高分子有機半導体としては、ポリ3ヘキシルチオフェン(P3HT)、ポリビスドデシルチオフェニルチエノチオフェン(pBTTT)などのポリチオフェン高分子等を用いることができる。   As the polymer organic semiconductor, polythiophene polymers such as poly-3-hexylthiophene (P3HT) and polybisdodecylthiophenylthienothiophene (pBTTT) can be used.

低分子有機半導体としては、(1)ペンタセン、テトラセン、アントラセン、などオリゴアセン分子、(2)ルブレン、テトラメチルペンタセン、テトラクロロペンタセン、ジフェニルペンタセン、TIPSペンタセンなどのオリゴアセン誘導体分子、(3)セクシチオフェンなどオリゴチオフェン分子及びその誘導体分子、(4)TCNQ(7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン)及びその誘導体分子、(5)TTF(1,4,5,8−テトラチアフルバレン)及びその誘導体分子、(6)ペリレン及びその誘導体分子、(7)ピレン及びその誘導体分子、(8)C60などフラーレン分子及びその誘導体分子、(9)フタロシアニン及び銅フタロシアニンなどのメタルフタロシアニン分子及びその誘導体分子、(10)ポルフィリン及び亜鉛ポルフィリンや鉄ポルフィリンなどのメタルポルフィリン分子及びその誘導体分子、(11)BEDT−TTF(ビスエチレンジチオテトラチオフルバレン)及びその誘導体分子、(12)DNTT(ジナフトチエノチオフェン)及びその誘導体分子、(13)BTBT(ベンゾチエノベンゾチオフェン)及びその誘導体分子、等を用いることができる。   Low molecular organic semiconductors include (1) oligoacene molecules such as pentacene, tetracene and anthracene, (2) oligoacene derivative molecules such as rubrene, tetramethylpentacene, tetrachloropentacene, diphenylpentacene and TIPS pentacene, and (3) sexithiophene. Oligothiophene molecules and their derivative molecules, (4) TCNQ (7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane) and its derivative molecules, (5) TTF (1,4,5,8-tetrathiafulvalene) and Its derivative molecule, (6) perylene and its derivative molecule, (7) pyrene and its derivative molecule, (8) fullerene molecule such as C60 and its derivative molecule, (9) metal phthalocyanine molecule such as phthalocyanine and copper phthalocyanine and its derivative molecule (10) Porphyri And metal porphyrin molecules such as zinc porphyrin and iron porphyrin and their derivative molecules, (11) BEDT-TTF (bisethylenedithiotetrathiofulvalene) and its derivative molecules, (12) DNTT (dinaphthothienothiophene) and its derivative molecules (13) BTBT (benzothienobenzothiophene) and its derivative molecules can be used.

無機半導体としては、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、カドミウムセレン、IGZO(インジウムガリウム亜鉛酸化物)、IZO(インジウム亜鉛酸化物)、酸化インジウム、酸化ニッケル、酸化亜鉛等を用いることができる。   As the inorganic semiconductor, silicon, germanium, gallium arsenide, cadmium selenium, IGZO (indium gallium zinc oxide), IZO (indium zinc oxide), indium oxide, nickel oxide, zinc oxide, or the like can be used.

電荷移動錯体としては、(TTF)(TCNQ)、(BEDT−TTF)(TCNQ)、(BEDT−TTF)2I3、(BEDT−TTF)2Cl3等を用いることができる。   As the charge transfer complex, (TTF) (TCNQ), (BEDT-TTF) (TCNQ), (BEDT-TTF) 2I3, (BEDT-TTF) 2Cl3, or the like can be used.

半導体チャンネル部3は、数10nm〜数100μmオーダーのピッチで形成されることが好ましいので、例えば、以下のような方法により作製することができる。   Since the semiconductor channel portion 3 is preferably formed at a pitch of the order of several tens of nm to several hundreds of μm, it can be manufactured by the following method, for example.

すなわち、半導体を保持するための微細な柱状構造を作製し、柱状構造の表面に半導体を付着させる方法を用いる。柱状構造としては厚膜レジスト(エポキシ樹脂、アクリル樹脂等)、PDMS(ポリジメチルシロキサン)、ナノインプリント、アルミナ陽極酸化等により作製したナノ構造体等の微細な構造体を用いることができる。半導体材料として、既述のP3HT(ポリ−3−ヘキシルチオフェン)等の、スピンコート可能なポリマーを用いることができる。または、柱状構造の表面或いは間隙に半導体チャンネル部3の結晶を作製してもよい。   That is, a method is used in which a fine columnar structure for holding a semiconductor is manufactured and the semiconductor is attached to the surface of the columnar structure. As the columnar structure, a fine structure such as a thick film resist (epoxy resin, acrylic resin, etc.), PDMS (polydimethylsiloxane), nanoimprint, alumina anodization, or the like can be used. As the semiconductor material, a spin coatable polymer such as the aforementioned P3HT (poly-3-hexylthiophene) can be used. Alternatively, the crystal of the semiconductor channel portion 3 may be formed on the surface or the gap of the columnar structure.

或いは、半導体チャンネル部3の別の作製方法として、微細構造を作製したスタンプや犠牲材料等を用いて半導体チャンネル部3を成型する方法をとることができる。スタンプの材料としては、既述の厚膜レジスト、PDMS、ナノインプリント基板等と同じ材料を用いることができる。半導体チャンネル部3の溶液にスタンプを押し当て、半導体チャンネル部3の材料を硬化させた後、スタンプを取り去ることによって半導体チャンネル部3の構造を作製することができる。   Alternatively, as another manufacturing method of the semiconductor channel portion 3, a method of molding the semiconductor channel portion 3 using a stamp with a fine structure, a sacrificial material, or the like can be used. As the stamp material, the same materials as those for the thick film resist, PDMS, nanoimprint substrate and the like described above can be used. The structure of the semiconductor channel part 3 can be manufactured by pressing the stamp against the solution of the semiconductor channel part 3 to cure the material of the semiconductor channel part 3 and then removing the stamp.

半導体チャンネル部3の更に別の作製方法として、半導体材料の自己組織化により微細構造を形成する方法を用いることができる。この場合は、電界成長法やナノワイヤ作製等の自己組織化による材料成長により半導体チャンネル部3を作製し、半導体チャンネル部3に接してゲート絶縁部を形成する。半導体チャンネル部3の材料としては、カーボンナノチューブや、Siナノワイヤなど材料成長が可能なものを用いる。   As yet another method of manufacturing the semiconductor channel portion 3, a method of forming a fine structure by self-organization of a semiconductor material can be used. In this case, the semiconductor channel portion 3 is fabricated by material growth by self-organization such as electric field growth or nanowire fabrication, and the gate insulating portion is formed in contact with the semiconductor channel portion 3. As a material of the semiconductor channel portion 3, a material capable of material growth such as carbon nanotube or Si nanowire is used.

また、電解質としては、イオン液体、イオン液体ゲル、ポリマー電解質、液体電解質、ゲル状電解質などを使用できる。特に、電解質4としてイオン液体を用いることが望ましい。イオン液体は、粘度が低く、高速応答が期待できる。   As the electrolyte, an ionic liquid, an ionic liquid gel, a polymer electrolyte, a liquid electrolyte, a gel electrolyte, or the like can be used. In particular, it is desirable to use an ionic liquid as the electrolyte 4. The ionic liquid has a low viscosity and can be expected to have a fast response.

すなわち、イオン液体電解質をゲート絶縁部に用いると、低いスイッチング電圧(ゲート電極とソース電極及びドレイン電極の間の電圧)をゲート電極に印加するだけで、充分に大きな電流を流す事ができる。したがって、電界効果トランジスタの消費電力を低減することができる。   That is, when an ionic liquid electrolyte is used for the gate insulating portion, a sufficiently large current can be passed only by applying a low switching voltage (a voltage between the gate electrode, the source electrode and the drain electrode) to the gate electrode. Therefore, power consumption of the field effect transistor can be reduced.

また、イオン液体電解質の性質を用いることで、高い周波数応答性、高いイオン伝導度を実現することができる。イオン液体電解質は、高い周波数でも高い静電容量を示す。すなわち、ゲート絶縁部にイオン液体電解質を用いると、イオン液体電解質が本来有する高いイオン伝導度を利用することで、高い周波数応答性を得ることが可能になる。   Further, by using the properties of the ionic liquid electrolyte, high frequency response and high ionic conductivity can be realized. The ionic liquid electrolyte exhibits a high capacitance even at a high frequency. That is, when an ionic liquid electrolyte is used for the gate insulating portion, it is possible to obtain a high frequency response by utilizing the high ionic conductivity inherent in the ionic liquid electrolyte.

また、イオン液体電解質は、室温では粘度の低い液体であるため、2次元的に配列された複数の半導体チャンネル部3の間の空間に、容易に分布させることが可能である。また、有機半導体材料の表面との間の密着性がよくなり、キャリア移動度が高い。特にイオン液体電解質として、EMI(CFSONを用いた場合、キャリア移動度を10−3cm/Vsとすることができる。Further, since the ionic liquid electrolyte is a liquid having a low viscosity at room temperature, it can be easily distributed in the space between the plurality of semiconductor channel portions 3 arranged two-dimensionally. In addition, the adhesion between the surface of the organic semiconductor material is improved and the carrier mobility is high. In particular, when EMI (CF 3 SO 2 ) 2 N is used as the ionic liquid electrolyte, the carrier mobility can be 10 −3 cm 2 / Vs.

ここで、本実施の形態における、イオン液体電解質を用いた縦型電界効果トランジスタを作製する方法の一例について説明する。半導体チャンネル部3として、有機半導体であるP3HTすなわちポリ3ヘキシルチオフェンを用い、電解質4として、イオン液体電解質であるEMI(CFSONを用いた場合を示す。Here, an example of a method for manufacturing a vertical field effect transistor using an ionic liquid electrolyte in this embodiment will be described. The case where P3HT which is an organic semiconductor, that is, poly-3-hexylthiophene, is used as the semiconductor channel portion 3 and EMI (CF 3 SO 2 ) 2 N which is an ionic liquid electrolyte is used as the electrolyte 4 is shown.

まず、ソース電極1とドレイン電極2の間に、エポキシ樹脂からなる厚膜レジストによって、複数の柱状構造を形成する。このためのエポキシ樹脂としては、例えば、「化薬マイクロケム」社の「SU−8」、「KMPR」等を用いることができる。   First, a plurality of columnar structures are formed between the source electrode 1 and the drain electrode 2 by using a thick film resist made of an epoxy resin. As the epoxy resin for this purpose, for example, “SU-8”, “KMPR”, etc. manufactured by “Kayaku Microchem” can be used.

次に、ソース電極1とドレイン電極2の間の、複数の柱状構造が形成された領域の内部に、P3HTをトルエン或いはクロロホルムに溶解した溶液を流し込み、乾燥させることによって、エポキシ樹脂の柱状構造の各々の周囲にP3HT半導体層を形成する。   Next, a solution in which P3HT is dissolved in toluene or chloroform is poured into a region between the source electrode 1 and the drain electrode 2 where a plurality of columnar structures are formed, and is dried, whereby the epoxy resin columnar structure is formed. A P3HT semiconductor layer is formed around each.

次に、ソース電極1とドレイン電極2の間の、半導体層が形成された柱状構造の周囲にイオン液体電解質を充填する。更に、ゲート電極5を、電解質4(イオン液体電解質)に接し、ソース電極1とドレイン電極2とP3HT半導体層には接しないように配置することによって、縦型電界効果トランジスタを完成させる。   Next, an ionic liquid electrolyte is filled around the columnar structure where the semiconductor layer is formed between the source electrode 1 and the drain electrode 2. Further, the vertical field effect transistor is completed by disposing the gate electrode 5 in contact with the electrolyte 4 (ionic liquid electrolyte) and not in contact with the source electrode 1, the drain electrode 2, and the P3HT semiconductor layer.

このようにして作製された縦型電界効果トランジスタにおいて、ゲート電圧Vgを負に加えていくに従って、正の伝導性電荷がP3HT有機半導体に次第に蓄積し、ソース電極1とドレイン電極2の間に流れる電流の測定値が増大していく電界効果が現れる。ゲート電圧に対してソース電極1とドレイン電極2の間に流れる電流の測定値が増大していく際の増加率からキャリアの移動度μを求めると、約10−3cm/Vsであった。In the vertical field effect transistor thus fabricated, as the gate voltage Vg is negatively applied, positive conductive charges gradually accumulate in the P3HT organic semiconductor and flow between the source electrode 1 and the drain electrode 2. A field effect appears in which the measured current value increases. When the carrier mobility μ was determined from the increasing rate when the measured value of the current flowing between the source electrode 1 and the drain electrode 2 increased with respect to the gate voltage, it was about 10 −3 cm 2 / Vs. .

例えば、有機ELディスプレイの発光層の制御素子として設けられるトランジスタの場合、50μm×50μm程度の大きさの1ピクセル当り1μA程度の電流量を得ることが要求される。電流密度に換算すると、40mA/cmとなる。この電流量を得るためには、従来の有機半導体の電界効果トランジスタの場合、Vd=10V程度必要である。For example, in the case of a transistor provided as a control element of a light emitting layer of an organic EL display, it is required to obtain a current amount of about 1 μA per pixel having a size of about 50 μm × 50 μm. When converted into current density, it becomes 40 mA / cm 2 . In order to obtain this amount of current, in the case of a conventional organic semiconductor field effect transistor, about Vd = 10 V is required.

これに対して、本実施の形態の縦型電界効果トランジスタの場合に得られる電流量について、以下に概算する。   On the other hand, the amount of current obtained in the case of the vertical field effect transistor of the present embodiment is roughly estimated below.

まず、μ=10−3cm/Vs、ne=6μF/cm×1V=6μC/cmとすれば、σ=ne・μ=6×10−9Sである。半導体が円筒形で半径と高さが同じであれば、σchannel=σ×2π=38×10−9/channelとなる。First, assuming that μ = 10 −3 cm 2 / Vs and ne = 6 μF / cm 2 × 1V = 6 μC / cm 2 , σ = ne · μ = 6 × 10 −9 S. If the semiconductor is cylindrical and has the same radius and height, σchannel = σ × 2π = 38 × 10 −9 / channel.

μは半導体の移動度、neは半導体とゲート絶縁体の界面において単位面積あたりに蓄積される電荷量であって、イオン液体電解質の電気二重層容量とゲート電圧の積に等しい。σは、正方形に規格化された面伝導度、σchannelは、半導体1個で形成されるチャンネルあたりの伝導度である。   μ is the mobility of the semiconductor, ne is the amount of charge accumulated per unit area at the interface between the semiconductor and the gate insulator, and is equal to the product of the electric double layer capacity of the ionic liquid electrolyte and the gate voltage. σ is a surface conductivity normalized to a square, and σchannel is a conductivity per channel formed of one semiconductor.

ここで、1cm当りの半導体の個数をN個とする。半導体の断面直径φ=5μmの場合、半導体を5μm間隔で並べると、N=1000×1000=10/cmであり、Nσchannel=3.8×10−2S/cmとなる。Vd=1Vとすると、Id=38mA/cmとなる。Here, the number of semiconductors per 1 cm 2 is N. When the cross-sectional diameter of the semiconductor is φ = 5 μm, N = 1000 × 1000 = 10 6 / cm 2 and Nσchannel = 3.8 × 10 −2 S / cm 2 when the semiconductors are arranged at intervals of 5 μm. If Vd = 1V, then Id = 38 mA / cm 2 .

以上のように、この縦型電界効果トランジスタによれば、Vd=1Vの低電圧条件でも既に、有機ELディスプレイの発光層の制御素子として設けられるトランジスタに要求される電流密度、40mA/cmと同等の特性が得られる。従って、Vd=10V程度を必要とする従来の有機半導体の電界効果トランジスタと比べて、トランジスタ素子の消費電力を大幅に低減し、高効率化が可能である。As described above, according to this vertical field effect transistor, the current density required for the transistor provided as the control element of the light emitting layer of the organic EL display is 40 mA / cm 2 even under the low voltage condition of Vd = 1V. Equivalent characteristics can be obtained. Therefore, compared with a conventional organic semiconductor field effect transistor that requires about Vd = 10 V, the power consumption of the transistor element can be greatly reduced and the efficiency can be improved.

また、比較対象として従来例の有機半導体を用いた平面状電界効果トランジスタを検討すると、有機ELディスプレイの発光層の制御素子として設けられる場合、移動度μ=0.1〜1cm/Vs程度の材料を用いなければ、1ピクセル当り1μA程度の電流量を得ることが困難である。Further, when a planar field effect transistor using an organic semiconductor of a conventional example is examined as a comparison target, when provided as a control element of a light emitting layer of an organic EL display, mobility μ = 0.1 to 1 cm 2 / Vs If no material is used, it is difficult to obtain a current amount of about 1 μA per pixel.

しかし、現在の有機材料において、再現性よく移動度μ=10−1cm/Vsを得られるのは、ペンタセンなどの一部の低分子材料を真空蒸着法によって薄膜形成する場合に限られる。高分子材料は、容易に塗布によって形成できるので、真空蒸着法による低分子有機薄膜よりもはるかに簡便に作製できるが、移動度10−1cm/Vsを再現性よく得るのは難しい。However, in the current organic material, the mobility μ = 10 −1 cm 2 / Vs can be obtained with good reproducibility only when a thin film of a part of low molecular weight material such as pentacene is formed by vacuum deposition. Since a polymer material can be easily formed by coating, it can be produced much more easily than a low-molecular organic thin film formed by a vacuum evaporation method, but it is difficult to obtain a mobility of 10 −1 cm 2 / Vs with good reproducibility.

これに対して、本実施の形態の縦型電界効果トランジスタの場合、移動度10−3cm/Vs程度の高分子材料でも、有機ELディスプレイの発光層の制御素子として十分な電流量を得ることが可能である。従って、より作製が簡単な高分子材料を、有機ELディスプレイの発光層の制御用トランジスタとして用いることができる。On the other hand, in the case of the vertical field effect transistor of this embodiment, a polymer material having a mobility of about 10 −3 cm 2 / Vs can obtain a sufficient amount of current as a control element for the light emitting layer of the organic EL display. It is possible. Therefore, a polymer material that is easier to manufacture can be used as a transistor for controlling the light emitting layer of an organic EL display.

従来型の有機半導体を用いた平面状電界効果トランジスタと、本実施の形態1の縦型電界効果トランジスタの特性を比較した結果を、表1に示す。従来例の場合は半導体として真空蒸着による低分子膜が使用され、本実施の形態の場合は半導体としてP3HTが使用された例である。電流密度は、Vd=1V、Vg=1Vの条件で測定した結果である。   Table 1 shows the result of comparing the characteristics of the planar field effect transistor using the conventional organic semiconductor and the vertical field effect transistor of the first embodiment. In the case of the conventional example, a low molecular film by vacuum deposition is used as the semiconductor, and in this embodiment, P3HT is used as the semiconductor. The current density is a result of measurement under the conditions of Vd = 1V and Vg = 1V.

Figure 0005605705
なお、上記構成の本実施の形態の縦型電界効果トランジスタにおいて、イオン液体が、ソース電極、ドレイン電極、及びP3HT半導体に直接接すると、ゲート電極とソース電極、ゲート電極とドレイン電極の間に漏れ電流が生じて、消費電力が増大してしまうことがある。
Figure 0005605705
Note that in the vertical field effect transistor of this embodiment having the above structure, when the ionic liquid directly contacts the source electrode, the drain electrode, and the P3HT semiconductor, leakage occurs between the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode. A current may be generated and power consumption may increase.

この問題を低減するためには、ソース電極、ドレイン電極、P3HT半導体のいずれかを自己組織化単分子膜やポリマー絶縁膜などによって被覆することが有効である。   In order to reduce this problem, it is effective to cover any one of the source electrode, the drain electrode, and the P3HT semiconductor with a self-assembled monomolecular film or a polymer insulating film.

また、φ=250nmの場合、直径が1/20のサイズになるので、高さが1/5の1μmであればfigure of meritは100倍になる。その結果、N=108/cm、Nσchannel=3.8S/cmとなる。Vd=1Vとすると、Id=3.8A/cmとなる。Further, when φ = 250 nm, the diameter is 1/20, and therefore the figure of merit is 100 times as long as the height is 1/5 μm. As a result, N = 108 / cm 2 and Nσchannel = 3.8 S / cm 2 . If Vd = 1V, then Id = 3.8 A / cm 2 .

このように、φ=250nmであれば、有機ELディスプレイの発光層の制御素子として設けられるトランジスタに要求される電流密度、40mA/cmに対して、はるかに大きい電流密度が得られる。Thus, if φ = 250 nm, a much higher current density can be obtained with respect to the current density required for a transistor provided as a control element of the light emitting layer of the organic EL display, 40 mA / cm 2 .

また、Vd=0.1V、Vg=0.1Vで、Id=40mA/cm程度となるので、同じ電流密度を得るためのドレイン電圧を大幅に小さくすることができる。従って、トランジスタ素子の消費電力を低減し、高効率化することができる。In addition, since Vd = 0.1V and Vg = 0.1V and Id = about 40 mA / cm 2 , the drain voltage for obtaining the same current density can be greatly reduced. Therefore, the power consumption of the transistor element can be reduced and the efficiency can be increased.

また、実験結果から求めた負のゲート電圧を−1V加えたオン状態の電流量と、ゲート電圧Vgを加えないオフ状態の残留電流量を比較すると、オン状態ではオフ状態に対して10倍の電流量が得られている。このオン−オフ比は、従来例の縦型トランジスタのオン−オフ比と比べて、格段に大きい。Further, the amount of current on state plus -1V a negative gate voltage determined from the experimental results, when comparing the residual current of the off state without adding a gate voltage Vg, 10 4 times the off state in the on state The amount of current is obtained. This on-off ratio is much larger than the on-off ratio of the conventional vertical transistor.

なお、電解質と誘電体の組み合わせによりゲート絶縁部を構成することもできる。その場合でも、ゲート電極にゲート電圧を印加したときに、電解質を介して作用する電界により、複数の半導体チャンネル部の各々に容易に一括して電気伝導経路を形成することができる。   Note that the gate insulating portion can also be configured by a combination of an electrolyte and a dielectric. Even in such a case, when a gate voltage is applied to the gate electrode, an electric conduction path can be easily formed in each of the plurality of semiconductor channel portions by an electric field acting through the electrolyte.

(実施の形態2)
図2Aは、実施の形態2における縦型電界効果トランジスタの断面図、図2Bは、図2AにおけるB1−B1線に沿った断面で示した平面図である。なお、図2Aは、図2BにおけるB2−B2線に沿った断面を示す。また、図1Aに示した実施の形態1における縦型電界効果トランジスタと同一の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
(Embodiment 2)
2A is a cross-sectional view of the vertical field effect transistor according to Embodiment 2, and FIG. 2B is a plan view showing a cross section taken along line B1-B1 in FIG. 2A. 2A shows a cross section taken along line B2-B2 in FIG. 2B. Also, the same elements as those of the vertical field effect transistor according to the first exemplary embodiment illustrated in FIG. 1A are denoted by the same reference numerals, and description thereof is not repeated.

本実施の形態では、実施の形態1においてゲート絶縁部として用いられた電解質4に代えて、ゲート絶縁体として誘電体6が用いられる。併せて、ゲート電極は、主ゲート電極7と、複数の半導体チャンネル部3の間に分散して配置された複数の分散ゲート電極7aから構成される。図2Bに示すように、ゲート端子電極7と分散ゲート電極7aの間は、ゲート連結部7bにより電気的に接続されている。   In the present embodiment, a dielectric 6 is used as a gate insulator instead of the electrolyte 4 used as the gate insulating portion in the first embodiment. In addition, the gate electrode is composed of a main gate electrode 7 and a plurality of distributed gate electrodes 7 a arranged in a distributed manner between the plurality of semiconductor channel portions 3. As shown in FIG. 2B, the gate terminal electrode 7 and the distributed gate electrode 7a are electrically connected by a gate connecting portion 7b.

この構成によれば、主ゲート電極7にゲート電圧を印加したときに、各々の分散ゲート電極7aから誘電体6を介して半導体チャンネル部3に電界が作用し、それにより、複数の半導体チャンネル部3の各々に電気伝導経路が形成される。その結果、実施の形態1と同様、複数の電気伝導経路について一括して、主ゲート電極7に印加する電圧による電界効果に基づき伝導度を制御することが可能となる。複数の半導体チャンネル部3の各々に電気伝導経路が形成されることにより、実質的な電気伝導経路の断面積が格段に増大し、ソース電極1とドレイン電極2の間を流れる電流量を大幅に増大させることが可能である。また、ソース電極1とドレイン電極2の間の半導体チャンネル領域における電流密度が、従来例に比べて増大する。   According to this configuration, when a gate voltage is applied to the main gate electrode 7, an electric field acts on the semiconductor channel portion 3 from each of the distributed gate electrodes 7a via the dielectric 6, thereby a plurality of semiconductor channel portions. An electrical conduction path is formed in each of the three. As a result, as in the first embodiment, it is possible to control the conductivity based on the electric field effect due to the voltage applied to the main gate electrode 7 collectively for a plurality of electrical conduction paths. By forming an electric conduction path in each of the plurality of semiconductor channel portions 3, the cross-sectional area of the substantial electric conduction path is remarkably increased, and the amount of current flowing between the source electrode 1 and the drain electrode 2 is greatly increased. It can be increased. Further, the current density in the semiconductor channel region between the source electrode 1 and the drain electrode 2 is increased as compared with the conventional example.

本実施の形態の特徴は、実施の形態1と異なり、ゲート絶縁部に電解質ではなく誘電体を用いることである。この場合、電解質の場合に得られるべき機能を補償する必要があり、そのために、複数の半導体チャンネル部3の間に分散して配置された複数の分散ゲート電極7aを用いる。半導体チャンネル部3の各々に隣接して設けられた分散ゲート電極7aにより、半導体チャンネル部3の各々に適切に電界を作用させることが可能になる。その結果、ゲート絶縁部に電解質を用いた場合と同等の効果を得ることができる。   Unlike the first embodiment, the present embodiment is characterized in that a dielectric is used instead of an electrolyte for the gate insulating portion. In this case, it is necessary to compensate for the function to be obtained in the case of the electrolyte, and for this purpose, a plurality of distributed gate electrodes 7 a arranged in a distributed manner among the plurality of semiconductor channel portions 3 are used. An electric field can be appropriately applied to each of the semiconductor channel portions 3 by the distributed gate electrode 7 a provided adjacent to each of the semiconductor channel portions 3. As a result, an effect equivalent to that obtained when an electrolyte is used for the gate insulating portion can be obtained.

なお、上述のような複数の分散ゲート電極7aを設ける構成は、実施の形態1のようにゲート絶縁部に電解質を用いた場合に適用してもよい。すなわち、ゲート電極7にゲート電圧を印加したときに、分散ゲート電極7aの各々から電解質を介して作用する電界により、複数の半導体チャンネル部3の各々に一括して電気伝導経路が形成される効果が容易に得られる。それにより、高速応答性を更に向上させることができる。   The configuration in which a plurality of distributed gate electrodes 7a as described above is provided may be applied when an electrolyte is used for the gate insulating portion as in the first embodiment. That is, when a gate voltage is applied to the gate electrode 7, an electric conduction path is formed collectively in each of the plurality of semiconductor channel portions 3 by an electric field that acts from each of the dispersed gate electrodes 7 a via the electrolyte. Is easily obtained. Thereby, the high-speed response can be further improved.

(実施の形態3)
図3Aは、実施の形態3における縦型電界効果トランジスタの断面図、図3Bは、図3AにおけるC1−C1線に沿った断面で示した平面図である。なお、図3Aは、図3BにおけるC2−C2線に沿った断面を示す。また、図1Aに示した実施の形態1における縦型電界効果トランジスタと同一の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
(Embodiment 3)
3A is a cross-sectional view of the vertical field effect transistor according to Embodiment 3, and FIG. 3B is a plan view showing a cross section taken along line C1-C1 in FIG. 3A. 3A shows a cross section taken along line C2-C2 in FIG. 3B. Also, the same elements as those of the vertical field effect transistor according to the first exemplary embodiment illustrated in FIG. 1A are denoted by the same reference numerals, and description thereof is not repeated.

本実施の形態の特徴は、複数の半導体8が、自己組織化による分子材料成長により形成されたものであることである。この構成によれば、小断面積の半導体8を高密度に形成することが可能である。それにより、ソース電極1の面積に対して、高い電流密度を得ることが容易になる。   The feature of this embodiment is that a plurality of semiconductors 8 are formed by molecular material growth by self-organization. According to this configuration, the semiconductor 8 having a small cross-sectional area can be formed with high density. Thereby, it becomes easy to obtain a high current density with respect to the area of the source electrode 1.

例えば、φ=250nm、高さが1/5の1μmであれば、実施の形態1に示した計算例と同じく、N=10/cm、Nσchannel=3.8S/cmとなる。Vd=1Vとすると、Id=3.8A/cmとなる。For example, if φ = 250 nm and the height is 1/5 of 1/5, N = 10 8 / cm 2 and Nσchannel = 3.8 S / cm 2 as in the calculation example shown in the first embodiment. If Vd = 1V, then Id = 3.8 A / cm 2 .

このように、φ=250nmであれば、有機ELディスプレイの発光層の制御素子として設けられるトランジスタに要求される電流密度、40mA/cmに対して、はるかに大きい電流密度が得られる。Thus, if φ = 250 nm, a much higher current density can be obtained with respect to the current density required for a transistor provided as a control element of the light emitting layer of the organic EL display, 40 mA / cm 2 .

また、Vd=0.1V、Vg=0.1Vで、Id=40mA/cm程度となるので、同じ電流密度を得るためのドレイン電圧を大幅に小さくすることができる。従って、トランジスタ素子の消費電力を低減し、高効率化することができる。In addition, since Vd = 0.1V and Vg = 0.1V and Id = about 40 mA / cm 2 , the drain voltage for obtaining the same current density can be greatly reduced. Therefore, the power consumption of the transistor element can be reduced and the efficiency can be increased.

(実施の形態4)
図4Aは、実施の形態4における縦型電界効果トランジスタの斜視図、図4Bは、図4AにおけるD−D線に沿った断面図である。本実施の形態は、図2A、図2Bに示した実施の形態2における縦型電界効果トランジスタの構成を、更に具体的にしたものである。実施の形態2の基本構成における、ソース電極1からドレイン電極2に亘って延在する複数の半導体チャンネル部3、ゲート絶縁部として機能する誘電体6、分散ゲート電極7a等を含む構造が、凹凸表面を有する絶縁基板10を用いて形成される。
(Embodiment 4)
4A is a perspective view of a vertical field effect transistor according to Embodiment 4, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line DD in FIG. 4A. In the present embodiment, the configuration of the vertical field-effect transistor according to the second embodiment shown in FIGS. 2A and 2B is made more specific. In the basic configuration of the second embodiment, the structure including a plurality of semiconductor channel portions 3 extending from the source electrode 1 to the drain electrode 2, the dielectric 6 functioning as a gate insulating portion, the dispersed gate electrode 7a, etc. It is formed using an insulating substrate 10 having a surface.

絶縁基板10は、複数の凸部10a、及びそれら凸部10a間の凹部10bにより形成された凹凸表面を有する。複数の凸部10aは、絶縁基板10の面上に互いに平行に配列された複数本の筋状突起部として形成されている。複数の凸部10aは、一方の端部で連結部10cにより連結されて、凸部10aと連結部10cにより櫛型隆起領域が形成されている。   The insulating substrate 10 has an uneven surface formed by a plurality of convex portions 10a and concave portions 10b between the convex portions 10a. The plurality of convex portions 10 a are formed as a plurality of streak-like projections arranged in parallel to each other on the surface of the insulating substrate 10. The plurality of convex portions 10a are connected at one end by a connecting portion 10c, and a comb-shaped raised region is formed by the convex portion 10a and the connecting portion 10c.

絶縁基板10の凹凸表面上に導電層11が設けられて、ゲート電極を形成している。導電層11は、凸部10aの頂部領域、側壁面領域、及び凹部10bの領域の全ての面に亘って設けられている。また、導電層11の表面上に絶縁層12が設けられて、ゲート絶縁部を形成している。絶縁層12も、凸部10aの頂部領域、側壁面領域、及び凹部10bの領域の全ての面に亘って設けられている。   A conductive layer 11 is provided on the uneven surface of the insulating substrate 10 to form a gate electrode. The conductive layer 11 is provided over all the surfaces of the top region, the side wall surface region, and the concave portion 10b of the convex portion 10a. An insulating layer 12 is provided on the surface of the conductive layer 11 to form a gate insulating portion. The insulating layer 12 is also provided over all the surfaces of the top region, the side wall surface region, and the recessed portion 10b of the convex portion 10a.

凸部10aの頂部領域及び側壁面領域に亘って連続して、絶縁層12の表面上に半導体層13が設けられている。凹部10bの領域の絶縁層12の表面には、半導体層13が形成されていない。半導体層13により、半導体チャンネル部が形成される。   The semiconductor layer 13 is provided on the surface of the insulating layer 12 continuously over the top region and the side wall surface region of the convex portion 10a. The semiconductor layer 13 is not formed on the surface of the insulating layer 12 in the region of the recess 10b. A semiconductor channel portion is formed by the semiconductor layer 13.

凹部10bの各々における絶縁層12の上部に、半導体層13と接触させて底部電極層14aが設けられている。また、櫛型隆起領域の櫛の歯(凸部10a)の先端に対向する領域に、底部連結電極部14bが形成されている。底部連結電極部14bは、凹部10b毎に形成された複数の底部電極層14aを電気的に接続する。それにより、複数の底部電極層14aは一体の電極として機能し、ソース電極またはドレイン電極を形成する。   A bottom electrode layer 14 a is provided in contact with the semiconductor layer 13 on the insulating layer 12 in each of the recesses 10 b. Further, a bottom connection electrode portion 14b is formed in a region facing the tip of the comb teeth (convex portion 10a) in the comb-shaped raised region. The bottom connection electrode portion 14b electrically connects a plurality of bottom electrode layers 14a formed for each recess 10b. Thereby, the plurality of bottom electrode layers 14a function as an integral electrode, and form a source electrode or a drain electrode.

凸部10aの各々における頂部領域には、半導体層13と接触させて頂部電極層15aが設けられている。また、連結部10cの領域に、頂部連結電極部15bが形成されている。頂部連結電極部15bは、凸部10a毎に形成された複数の頂部電極層15aを、電気的に互いに接続する。それにより、複数の頂部電極層15aは一体の電極として機能し、ドレイン電極またはソース電極を形成する。   A top electrode layer 15a is provided in contact with the semiconductor layer 13 in the top region of each of the convex portions 10a. Moreover, the top connection electrode part 15b is formed in the area | region of the connection part 10c. The top connection electrode part 15b electrically connects the plurality of top electrode layers 15a formed for each convex part 10a to each other. Thereby, the plurality of top electrode layers 15a function as an integral electrode, and form a drain electrode or a source electrode.

以上の構成を有する縦型電界効果トランジスタは、図2A、図2Bに示したものと同様に動作する。すなわち、導電層11にゲート電圧を印加したときに、各々の凸部10aの側壁面領域に設けられた導電層11から絶縁層12を介して半導体層13に電界が作用する。それにより、複数の半導体層13の各々に電気伝導経路が形成される。その結果、複数の電気伝導経路について一括して、導電層11に印加する電圧による電界効果に基づき伝導度を制御することが可能となる。複数の半導体層13の各々に電気伝導経路が形成されることにより、実質的な電気伝導経路の断面積が格段に増大し、ソース電極とドレイン電極の間を流れる電流量を大幅に増大させることが可能である。   The vertical field effect transistor having the above configuration operates in the same manner as shown in FIGS. 2A and 2B. That is, when a gate voltage is applied to the conductive layer 11, an electric field acts on the semiconductor layer 13 through the insulating layer 12 from the conductive layer 11 provided in the side wall surface region of each protrusion 10 a. Thereby, an electric conduction path is formed in each of the plurality of semiconductor layers 13. As a result, it is possible to control the conductivity based on the electric field effect due to the voltage applied to the conductive layer 11 collectively for a plurality of electrical conduction paths. By forming an electric conduction path in each of the plurality of semiconductor layers 13, the cross-sectional area of the substantial electric conduction path is remarkably increased, and the amount of current flowing between the source electrode and the drain electrode is greatly increased. Is possible.

本実施の形態における絶縁基板10としては、材質の制限は特にないが、可撓性を有する絶縁性材料、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料を用いることができる。それにより、有機ELディスプレイ等の駆動用のトランジスタを構成するのに好適である。   The insulating substrate 10 in this embodiment is not particularly limited in material, but a flexible insulating material such as a resin material such as an epoxy resin can be used. Thereby, it is suitable for constructing a driving transistor such as an organic EL display.

なお、半導体層13は図4Bに示すように、少なくとも凸部10aの頂部領域及び側壁面領域に亘って連続して設けられていればよいが、図4Cあるいは図4Dのようにすることもできる。図4Cは、凸部10aの側壁面領域から連続して凹部10bの表面上の一部に半導体層13が形成された例を示す。図4Dは、凹部10bの表面上の全部に半導体層13が形成された例を示す。   As shown in FIG. 4B, the semiconductor layer 13 only needs to be provided continuously over at least the top region and the side wall surface region of the convex portion 10a. However, the semiconductor layer 13 may be formed as shown in FIG. 4C or 4D. . FIG. 4C shows an example in which the semiconductor layer 13 is formed on a part of the surface of the concave portion 10b continuously from the side wall surface region of the convex portion 10a. FIG. 4D shows an example in which the semiconductor layer 13 is formed on the entire surface of the recess 10b.

また、図4Bには、底部電極層14a及び頂部電極層15aが半導体層13の上面に配置された例を示したが、半導体層13の下部に配置された構成とすることもできる。すなわち、絶縁層12の表面上に底部電極層14a及び頂部電極層15aが形成され、その上部に半導体層13が形成された構成としてもよい。   4B shows an example in which the bottom electrode layer 14a and the top electrode layer 15a are disposed on the top surface of the semiconductor layer 13, but a configuration in which the bottom electrode layer 14a and the top electrode layer 15a are disposed below the semiconductor layer 13 is also possible. That is, the bottom electrode layer 14a and the top electrode layer 15a may be formed on the surface of the insulating layer 12, and the semiconductor layer 13 may be formed thereon.

以上の構成を有する縦型電界効果トランジスタにおいて、筋状突起部として形成された凸部10aの、絶縁基板10の面方向における幅をW、凸部10a同士の間隔をSとするとき、S/W≦10の条件を満たすように構成することが望ましい。それにより、単位表面積当りに十分な数の半導体チャンネル部が形成され、単位表面積当りで増幅される電流量として実用上十分な、1 A/cm以上が得られる。In the vertical field effect transistor having the above configuration, when the width in the surface direction of the insulating substrate 10 of the convex portion 10a formed as the streak-like projection portion is W and the interval between the convex portions 10a is S, S / It is desirable to configure so as to satisfy the condition of W ≦ 10. Thereby, a sufficient number of semiconductor channel portions are formed per unit surface area, and 1 A / cm 2 or more, which is practically sufficient as the amount of current amplified per unit surface area, is obtained.

また、筋状突起部として形成された凸部10aの凹部10bの表面からの高さをHとするとき、H/W≧0.3の条件を満たすように構成することが望ましい。それにより、電界効果によって制御される電流のオン−オフ比として実用上十分な、10以上が得られる。Moreover, when the height from the surface of the recessed part 10b of the convex part 10a formed as a stripe-shaped projection part is set to H, it is desirable to comprise so that the conditions of H / W> = 0.3 may be satisfy | filled. As a result, a practically sufficient value of 10 5 or more is obtained as the on / off ratio of the current controlled by the field effect.

次に、上記構成の縦型電界効果トランジスタの製造方法について、各工程の斜視図を示す図5A〜図5Eを参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the vertical field effect transistor having the above configuration will be described with reference to FIGS. 5A to 5E showing perspective views of the respective steps.

まず、図5Aに示すように、例えばエポキシ樹脂からなる絶縁基板10の表面に、互いに平行な複数の筋状の凸部10a及び凹部10bからなる凹凸表面、及び連結部10cを含む、櫛型隆起領域を形成する。凹凸表面を形成するためには、周知のどのような方法を用いても良い。   First, as shown in FIG. 5A, for example, a comb-shaped ridge including a surface of an insulating substrate 10 made of, for example, an epoxy resin, a concavo-convex surface made up of a plurality of parallel convex portions 10a and concave portions 10b, and a connecting portion 10c Form a region. Any known method may be used to form the uneven surface.

次に、図5Bに示すように、絶縁基板10の全面に亘って、導電層11及び絶縁層12を順次形成する。但し、図5Bには図示の都合上、導電層11及び絶縁層12が一層にまとめて描かれている。導電層11は、例えば、Ti膜とPt膜の積層膜により構成する。例えば、TiとPtを順次スパッタリングすることにより成膜する。2方向からスパッタリングを行なうことにより、凸部10a及び凹部10bからなる凹凸表面の全面に導電層11を形成することができる。絶縁層12としては、例えば蒸着によりパリレン膜を形成する。それにより、導電層11上の全面に絶縁層12が形成される。   Next, as shown in FIG. 5B, a conductive layer 11 and an insulating layer 12 are sequentially formed over the entire surface of the insulating substrate 10. However, in FIG. 5B, for convenience of illustration, the conductive layer 11 and the insulating layer 12 are drawn together. The conductive layer 11 is composed of a laminated film of a Ti film and a Pt film, for example. For example, the film is formed by sequentially sputtering Ti and Pt. By conducting sputtering from two directions, the conductive layer 11 can be formed on the entire surface of the concavo-convex surface composed of the convex portions 10a and the concave portions 10b. As the insulating layer 12, a parylene film is formed by vapor deposition, for example. Thereby, the insulating layer 12 is formed on the entire surface of the conductive layer 11.

次に、図5Cに示すように、凸部10aの横方向、すなわち、長手方向に直交する方向から、有機半導体材料を斜め蒸着することにより、半導体層13を形成する。それにより、少なくとも凸部10aの頂部領域及び側壁面領域に亘って連続して半導体層13が形成される。   Next, as shown in FIG. 5C, the semiconductor layer 13 is formed by obliquely depositing an organic semiconductor material from the lateral direction of the convex portion 10 a, that is, the direction orthogonal to the longitudinal direction. Thereby, the semiconductor layer 13 is formed continuously over at least the top region and the side wall surface region of the convex portion 10a.

次に、図5Dに示すように、真空蒸着によりAu膜16を成膜することにより、底部電極層14a、底部連結電極部14b、頂部電極層15a、及び頂部連結電極部15bを形成する。絶縁基板10の面に対して厳密に垂直方向の蒸着を行なうことにより、Au膜16は、凸部10aの側面には形成されず、底部電極層14a及び底部連結電極部14bと、頂部電極層15a及び頂部連結電極部15bとは、電気的に分離して形成される。従って、底部電極層14a、底部連結電極部14b、頂部電極層15a、及び頂部連結電極部15bを1回の蒸着工程により形成することができる。   Next, as shown in FIG. 5D, the bottom electrode layer 14a, the bottom connection electrode portion 14b, the top electrode layer 15a, and the top connection electrode portion 15b are formed by depositing the Au film 16 by vacuum deposition. The Au film 16 is not formed on the side surface of the convex portion 10a by performing vapor deposition strictly in the direction perpendicular to the surface of the insulating substrate 10, and the bottom electrode layer 14a, the bottom connection electrode portion 14b, and the top electrode layer. 15a and the top connection electrode portion 15b are formed to be electrically separated. Therefore, the bottom electrode layer 14a, the bottom connection electrode portion 14b, the top electrode layer 15a, and the top connection electrode portion 15b can be formed by a single deposition process.

以上のような工程により作成された本実施の形態4におけるフレキシブル基板(エポキシ樹脂)上に作製した縦型電界効果トランジスタについて、その伝達特性を測定した結果を図6に示す。横軸はゲート電圧Vg(V)、縦軸はドレインI電流(μA)であり、リニアスケールによる曲線A(左側縦軸参照)と、ログスケールによる曲線B(右側縦軸参照)を示す。図6に示されるように、1A/cm程度の十分大きな電流量と10程度の十分大きなON−OFF比が得られている。また、この性能は、図4Cの横方向に10回以上繰り返し屈曲しても(曲げ半径1cm)、損なわれることはなかった。FIG. 6 shows the results of measuring the transfer characteristics of the vertical field effect transistor produced on the flexible substrate (epoxy resin) in the fourth embodiment produced by the process as described above. The horizontal axis represents the gate voltage Vg (V), the vertical axis represents the drain ID current (μA), and shows a curve A (refer to the left vertical axis) based on the linear scale and a curve B (refer to the right vertical axis) based on the log scale. As shown in FIG. 6, a sufficiently large current amount of about 1 A / cm 2 and a sufficiently large ON-OFF ratio of about 10 6 are obtained. Further, this performance was not impaired even when it was repeatedly bent 10 times or more in the lateral direction of FIG. 4C (bending radius 1 cm).

また表2に、従来型の有機半導体を用いた平面状電界効果トランジスタと、本実施の形態4の縦型電界効果トランジスタの特性を比較した結果を示す。表2にはさらに、後述する実施の形態6(図8)に示す構成の縦型電界効果トランジスタの特性も示す。従来例、実施の形態4、6ともに、半導体として真空蒸着による低分子膜が使用された例である。電流密度は、Vd=10V、Vg=20Vの条件で測定した結果である。   Table 2 shows the result of comparing the characteristics of a planar field effect transistor using a conventional organic semiconductor and the vertical field effect transistor of the fourth embodiment. Table 2 also shows the characteristics of the vertical field effect transistor having the structure shown in Embodiment 6 (FIG. 8) described later. Both the conventional example and the fourth and sixth embodiments are examples in which a low molecular film by vacuum deposition is used as a semiconductor. The current density is the result of measurement under the conditions of Vd = 10V and Vg = 20V.

Figure 0005605705
なお、凸部10aは、筋状の突起に限られず、絶縁基板10の面上に互いに離間して設けられた複数の島状突起部として形成することもできる。その場合、島状突起部の相互間の間隙が凹部を形成する。
Figure 0005605705
In addition, the convex part 10a is not restricted to a streak-like protrusion, It can also be formed as a several island-like protrusion part provided mutually spaced apart on the surface of the insulating substrate 10. FIG. In that case, the gap between the island-shaped protrusions forms a recess.

(実施の形態5)
図7は、実施の形態5における縦型電界効果トランジスタの断面図である。本実施の形態は、実施の形態4と同様に、凹凸表面を有する絶縁基板を用いた構成の例であり、全体的な構造は、図4Aに斜視図で示した実施の形態4におけるものと同様である。図7は、図4AのD−D線に沿った位置に対応する断面構造を示す。但し、動作の原理は、図1A、図1Bに示した実施の形態1と同様であり、ゲート絶縁部として電解質が用いられている。なお、図4A、図4Bに示した実施の形態4における縦型電界効果トランジスタと同一の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。
(Embodiment 5)
FIG. 7 is a cross-sectional view of a vertical field effect transistor according to the fifth embodiment. This embodiment is an example of a configuration using an insulating substrate having a concavo-convex surface as in the fourth embodiment, and the overall structure is the same as that in the fourth embodiment shown in a perspective view in FIG. 4A. It is the same. FIG. 7 shows a cross-sectional structure corresponding to the position along the line DD in FIG. 4A. However, the principle of operation is the same as in Embodiment 1 shown in FIGS. 1A and 1B, and an electrolyte is used as the gate insulating portion. The same elements as those of the vertical field effect transistor according to Embodiment 4 shown in FIGS. 4A and 4B are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified.

本実施の形態における縦型電界効果トランジスタでは、絶縁基板10の凹凸面に直接半導体層13が設けられて、半導体チャンネル部を形成している。   In the vertical field effect transistor according to the present embodiment, the semiconductor layer 13 is directly provided on the uneven surface of the insulating substrate 10 to form a semiconductor channel portion.

凹部10bの各々における半導体層13の上面に、底部電極層14aが設けられている。また、図4Aと同様に、櫛型隆起領域の凸部10aの先端に対向する領域に、底部連結電極部14bが形成されている。従って、複数の底部電極層14aが一体の電極として機能し、ソース電極またはドレイン電極を形成する。   A bottom electrode layer 14a is provided on the upper surface of the semiconductor layer 13 in each of the recesses 10b. Further, similarly to FIG. 4A, a bottom connection electrode portion 14b is formed in a region facing the tip of the convex portion 10a of the comb-shaped raised region. Accordingly, the plurality of bottom electrode layers 14a function as an integrated electrode, and form a source electrode or a drain electrode.

凸部10aの各々における頂部領域では、半導体層13の上面に頂部電極層15aが設けられている。また、図4Aと同様に、連結部10cの領域に、複数の頂部電極層15aを連結する頂部連結電極部15bが形成されている。従って、複数の頂部電極層15aが一体の電極として機能し、ドレイン電極またはソース電極を形成する。   A top electrode layer 15 a is provided on the upper surface of the semiconductor layer 13 in the top region of each of the protrusions 10 a. Similarly to FIG. 4A, a top connection electrode portion 15b that connects the plurality of top electrode layers 15a is formed in the region of the connection portion 10c. Therefore, the plurality of top electrode layers 15a function as an integrated electrode, and form a drain electrode or a source electrode.

絶縁基板10の凹凸面上に形成された上記要素を覆って、電解質層17が設けられて、ゲート絶縁部を形成している。電解質層17と接触して電解質層用電極18が設けられ、ゲート電極を形成している。   An electrolyte layer 17 is provided to cover the above elements formed on the uneven surface of the insulating substrate 10 to form a gate insulating portion. An electrolyte layer electrode 18 is provided in contact with the electrolyte layer 17 to form a gate electrode.

以上の構成を有する縦型電界効果トランジスタは、図1A、図1Bに示したものと同様に動作する。すなわち、電解質層用電極18にゲート電圧を印加すると、電解質層17の半導体層13に接する表面付近に、電気二重層が形成される。電気二重層にかかる電界による電界効果によって、半導体層13に高い電界をかけることが容易である。このように、電解質層用電極18に印加するゲート電圧による電界効果に基づき、複数の電気伝導経路について一括して伝導度を制御することができる。   The vertical field effect transistor having the above configuration operates in the same manner as that shown in FIGS. 1A and 1B. That is, when a gate voltage is applied to the electrolyte layer electrode 18, an electric double layer is formed near the surface of the electrolyte layer 17 in contact with the semiconductor layer 13. It is easy to apply a high electric field to the semiconductor layer 13 by the electric field effect due to the electric field applied to the electric double layer. Thus, based on the electric field effect by the gate voltage applied to the electrolyte layer electrode 18, the conductivity can be controlled collectively for a plurality of electrical conduction paths.

なお、半導体層13、電解質層17としては、実施の形態1に示したものと同様の材質を用いることができる。また、半導体層13は、少なくとも凸部10aの頂部領域及び側壁面領域に亘って連続して形成されればよく、凹部10bには半導体層13が形成されなくともよい。また、電解質層17も、実際に半導体チャンネルを形成する部分として有効な、少なくとも凸部10aの側壁面領域の表面上に形成された半導体層13に接触させて設けられればよい。   For the semiconductor layer 13 and the electrolyte layer 17, the same materials as those shown in Embodiment Mode 1 can be used. Moreover, the semiconductor layer 13 should just be formed continuously over the top area | region and side wall surface area | region of the convex part 10a, and the semiconductor layer 13 does not need to be formed in the recessed part 10b. Also, the electrolyte layer 17 may be provided in contact with the semiconductor layer 13 formed on at least the surface of the side wall surface region of the convex portion 10a, which is effective as a portion for actually forming a semiconductor channel.

(実施の形態6)
図8は、実施の形態6における縦型電界効果トランジスタの断面図である。全体的な構造は、図4Aに斜視図で示した実施の形態4におけるものと同様である。図8は、図4AのD−D線に沿った位置に対応する断面構造を示す。また、図4A、図4Bに示した実施の形態4における縦型電界効果トランジスタと同一の要素については、同一の参照符号を付して、説明の繰り返しを簡略化する。
(Embodiment 6)
FIG. 8 is a cross-sectional view of a vertical field effect transistor according to the sixth embodiment. The overall structure is the same as that in the fourth embodiment shown in a perspective view in FIG. 4A. FIG. 8 shows a cross-sectional structure corresponding to the position along the line DD in FIG. 4A. Also, the same elements as those of the vertical field effect transistor according to Embodiment 4 shown in FIGS. 4A and 4B are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified.

本実施の形態においては、実施の形態4における絶縁基板10に代えて、凹凸表面を有する導電性基板18が用いられる。導電性基板18は、複数の凸部18a及び凸部18a間の凹部18bにより形成された凹凸表面を有する。   In the present embodiment, conductive substrate 18 having an uneven surface is used in place of insulating substrate 10 in the fourth embodiment. The conductive substrate 18 has an uneven surface formed by a plurality of protrusions 18a and recesses 18b between the protrusions 18a.

導電性基板18により、ゲート電極が形成される。導電性基板18の凹凸表面上に絶縁層19が設けられて、ゲート絶縁部を形成している。少なくとも凸部18aの頂部領域及び側壁面領域に亘って連続して、絶縁層19の表面上に半導体層13が設けられて、半導体チャンネル部を形成している。   A gate electrode is formed by the conductive substrate 18. An insulating layer 19 is provided on the uneven surface of the conductive substrate 18 to form a gate insulating portion. The semiconductor layer 13 is provided on the surface of the insulating layer 19 continuously over at least the top region and the side wall surface region of the convex portion 18a to form a semiconductor channel portion.

凹部10bの各々における半導体層13の上面に、底部電極層14aが設けられている。また、図4Aと同様に、櫛型隆起領域の凸部10aの先端に対向する領域に、底部連結電極部14bが形成されている。従って、複数の底部電極層14aが一体の電極として機能し、ソース電極またはドレイン電極を形成する。   A bottom electrode layer 14a is provided on the upper surface of the semiconductor layer 13 in each of the recesses 10b. Further, similarly to FIG. 4A, a bottom connection electrode portion 14b is formed in a region facing the tip of the convex portion 10a of the comb-shaped raised region. Accordingly, the plurality of bottom electrode layers 14a function as an integrated electrode, and form a source electrode or a drain electrode.

凸部10aの各々における頂部領域では、半導体層13の上面に頂部電極層15aが設けられている。また、図4Aと同様に、連結部10cの領域に、複数の頂部電極層15aを連結する頂部連結電極部15bが形成されている。従って、複数の頂部電極層15aが一体の電極として機能し、ドレイン電極またはソース電極を形成する。   A top electrode layer 15 a is provided on the upper surface of the semiconductor layer 13 in the top region of each of the protrusions 10 a. Similarly to FIG. 4A, a top connection electrode portion 15b that connects the plurality of top electrode layers 15a is formed in the region of the connection portion 10c. Therefore, the plurality of top electrode layers 15a function as an integrated electrode, and form a drain electrode or a source electrode.

以上の構成を有する縦型電界効果トランジスタは、図2A、図2Bに示したものと同様に動作する。すなわち、導電性基板18にゲート電圧を印加したときに、各々の凸部10aから絶縁層19を介して半導体層13に電界が作用する。それにより、複数の半導体層13の各々に電気伝導経路が形成される。その結果、複数の電気伝導経路について一括して、導電性基板18に印加する電圧による電界効果に基づき伝導度を制御することが可能となる。複数の半導体層13の各々に電気伝導経路が形成されることにより、実質的な電気伝導経路の断面積が格段に増大し、ソース電極とドレイン電極の間を流れる電流量を大幅に増大させることが可能である。   The vertical field effect transistor having the above configuration operates in the same manner as shown in FIGS. 2A and 2B. That is, when a gate voltage is applied to the conductive substrate 18, an electric field acts on the semiconductor layer 13 from each convex portion 10 a via the insulating layer 19. Thereby, an electric conduction path is formed in each of the plurality of semiconductor layers 13. As a result, it is possible to control the conductivity based on the electric field effect caused by the voltage applied to the conductive substrate 18 collectively for a plurality of electrical conduction paths. By forming an electric conduction path in each of the plurality of semiconductor layers 13, the cross-sectional area of the substantial electric conduction path is remarkably increased, and the amount of current flowing between the source electrode and the drain electrode is greatly increased. Is possible.

(実施の形態7)
図9は、実施の形態7における縦型電界効果トランジスタアレイ装置の一部を示す斜視図である。本実施の形態は、上述の各実施の形態のいずれかに示したような構造を有する縦型FET素子20を多数配列して、トランジスタアレイ装置を構成したものである。このようなアレイ構造は、例えば、有機ELディスプレイにおける有機EL素子の駆動に用いることができる。但し、図9には有機EL素子の図示は省略し、配線も概念的に示すのみであって、実際の構造とは異なる。
(Embodiment 7)
FIG. 9 is a perspective view showing a part of the vertical field effect transistor array device according to the seventh embodiment. In the present embodiment, a transistor array device is configured by arranging a large number of vertical FET elements 20 having a structure as shown in any of the above-described embodiments. Such an array structure can be used, for example, for driving an organic EL element in an organic EL display. However, the illustration of the organic EL element is omitted in FIG. 9 and the wiring is only conceptually shown, which is different from the actual structure.

マトリクス状に配列された複数本の電源ライン21とデータライン22の各交点に画素が設けられ、図示しないが各画素の有機EL素子毎に縦型FET素子20が配置され、接続される。図9の例では、単位素子の縦型FET素子20が各々、図4Aに示したような、平行に配列された筋状の凸部10aを多数有する櫛型隆起領域を有する。   A pixel is provided at each intersection of a plurality of power supply lines 21 and data lines 22 arranged in a matrix, and a vertical FET element 20 is arranged and connected for each organic EL element of each pixel (not shown). In the example of FIG. 9, each of the vertical FET elements 20 of the unit element has a comb-shaped raised region having a large number of stripe-like convex portions 10a arranged in parallel as shown in FIG. 4A.

電源ライン21は、凸部10aの上面に形成されたドレイン電極23に接続されている。また、データライン22は、図示を省略するが、選択用FET素子を介してゲート電極に接続される。縦型FET素子20のソース電極は、有機EL素子に接続される。表示用のデータが、選択用FET素子により選択された画素の縦型FET素子20のゲート電極に供給され、それに応じた電流が有機EL素子に供給される。   The power supply line 21 is connected to a drain electrode 23 formed on the upper surface of the convex portion 10a. Further, although not shown, the data line 22 is connected to the gate electrode via a selection FET element. The source electrode of the vertical FET element 20 is connected to the organic EL element. Display data is supplied to the gate electrode of the vertical FET element 20 of the pixel selected by the selection FET element, and a current corresponding thereto is supplied to the organic EL element.

このように、少なくとも有機EL素子に対して駆動電流を供給するトランジスタとして、本発明の縦型電界効果トランジスタを用いることにより、良好な表示コントラストを発揮する有機ELディスプレイが得られる。   As described above, by using the vertical field effect transistor of the present invention as a transistor that supplies a driving current to at least the organic EL element, an organic EL display that exhibits a good display contrast can be obtained.

本発明の縦型電界効果トランジスタは、大電流及び高いオン−オフ比を得ることが可能であり、全有機ELディスプレイ、超薄型ディスプレイ、フレキシブルディスプレイ、高密度論理演算素子等に有用である。   The vertical field effect transistor of the present invention can obtain a large current and a high on-off ratio, and is useful for an all organic EL display, an ultra-thin display, a flexible display, a high-density logic operation element, and the like.

1 ソース電極
2 ドレイン電極
3、8 半導体チャンネル部
4 電解質
5 ゲート電極
6 誘電体
7 主ゲート電極
7a 分散ゲート電極
7b ゲート連結部
10 絶縁基板
10a 凸部
10b 凹部
10c 連結部
11 導電層
12 絶縁層
13 半導体層
14a 底部電極層
14b 底部連結電極部
15a 頂部電極層
15b 頂部連結電極部
16 Au膜
17 電解質層
18 導電性基板
18a 凸部
18b 凹部
19 絶縁層
20 縦型FET素子
21 電源ライン
22 データライン
23 ドレイン電極
30 基板
31 ソース電極
32 ドレイン電極
33 半導体
34 ゲート電極
35 キャリア
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Source electrode 2 Drain electrodes 3 and 8 Semiconductor channel part 4 Electrolyte 5 Gate electrode 6 Dielectric 7 Main gate electrode 7a Dispersion gate electrode 7b Gate connection part 10 Insulating substrate 10a Projection part 10b Recession part 10c Connection part 11 Conductive layer 12 Insulation layer 13 Semiconductor layer 14a Bottom electrode layer 14b Bottom connection electrode part 15a Top electrode layer 15b Top connection electrode part 16 Au film 17 Electrolyte layer 18 Conductive substrate 18a Protrusion 18b Recess 19 Insulating layer 20 Vertical FET element 21 Power line 22 Data line 23 Drain electrode 30 Substrate 31 Source electrode 32 Drain electrode 33 Semiconductor 34 Gate electrode 35 Carrier

Claims (9)

単一の電界効果トランジスタ素子構造を形成する要素として、
樹脂製の基板であって、その表面に複数の凸部及び前記凸部間の凹部からなる凹凸表面が一体的に形成された絶縁基板と、
前記絶縁基板の前記凹凸表面上に設けられた導電層により形成されたゲート電極と、
前記導電層の表面上に設けられた絶縁層により形成されたゲート絶縁部と、
少なくとも前記凸部の頂部領域及び側壁面領域に亘って連続して前記絶縁層の表面上に設けられた半導体層により形成された複数の半導体チャンネル部と、
前記凹部の各々に前記半導体層と接触させて設けられ互いに接続されて一体の電極として機能する複数の底部電極層により形成されたソース電極/ドレイン電極と、
前記凸部の各々における頂部領域に前記半導体層と接触させて設けられ互いに接続されて一体の電極として機能する複数の頂部電極層により形成されたドレイン電極/ソース電極とを備え、
前記ゲート電極にゲート電圧を印加したときに、前記ゲート絶縁部を介して作用する電界により前記複数の半導体チャンネル部の各々に一括して電気伝導経路が形成されることを特徴とする縦型電界効果トランジスタ。
As an element forming a single field effect transistor device structure,
An insulating substrate, which is a resin substrate, and has an uneven surface formed integrally with a plurality of convex portions and concave portions between the convex portions on the surface;
A gate electrode formed by a conductive layer provided on the uneven surface of the insulating substrate;
A gate insulating part formed by an insulating layer provided on the surface of the conductive layer;
A plurality of semiconductor channel portions formed by a semiconductor layer provided on the surface of the insulating layer continuously over at least the top region and the side wall surface region of the convex portion;
A source electrode / drain electrode formed by a plurality of bottom electrode layers provided in contact with the semiconductor layer in each of the recesses and connected to each other and functioning as an integral electrode;
A drain electrode / source electrode formed by a plurality of top electrode layers that are provided in contact with the semiconductor layer in the top region of each of the convex portions and are connected to each other and function as an integral electrode;
A vertical electric field characterized in that when a gate voltage is applied to the gate electrode, an electric conduction path is collectively formed in each of the plurality of semiconductor channel parts by an electric field acting through the gate insulating part. Effect transistor.
前記ゲート絶縁部が誘電体と電解質の組み合わせにより構成され、前記ゲート電極にゲート電圧を印加したときに、前記電解質を介して作用する電界により前記複数の半導体チャンネル部の各々に一括して電気伝導経路が形成される請求項1に記載の縦型電界効果トランジスタ。   The gate insulating part is composed of a combination of a dielectric and an electrolyte, and when a gate voltage is applied to the gate electrode, an electric field acting through the electrolyte collectively causes electrical conduction to each of the plurality of semiconductor channel parts. The vertical field effect transistor according to claim 1, wherein a path is formed. 前記半導体層は、自己組織化による分子材料成長により形成されたものである請求項1に記載の縦型電界効果トランジスタ。 2. The vertical field effect transistor according to claim 1, wherein the semiconductor layer is formed by molecular material growth by self-organization. 前記絶縁基板が可撓性を有する材質により形成された請求項1に記載の縦型電界効果トランジスタ。 The vertical field effect transistor according to claim 1, wherein the insulating substrate is formed of a flexible material. 前記半導体層が前記凸部の側壁面領域から連続して前記凹部の表面上の少なくとも一部にも形成された請求項1に記載の縦型電界効果トランジスタ。 2. The vertical field effect transistor according to claim 1, wherein the semiconductor layer is also formed on at least a part of the surface of the concave portion continuously from the side wall surface region of the convex portion. 前記頂部電極層および前記底部電極層が前記半導体層の上面に形成された請求項1に記載の縦型電界効果トランジスタ。 The vertical field effect transistor according to claim 1, wherein the top electrode layer and the bottom electrode layer are formed on an upper surface of the semiconductor layer. 前記基板の面上に互いに平行に配列された複数本の筋状突起部とそれらを一方の端部で連結する連結部とからなる櫛型隆起領域が設けられて、前記筋状突起部の各々が前記凸部を形成し、前記筋状突起部の相互間の複数の間隙の各々が前記凹部を形成し、
前記櫛型隆起領域の櫛の歯の先端に対向する領域に、複数の前記凹部毎に形成された複数の前記底部電極層を連結する底部連結電極部が形成され、
前記櫛型隆起領域の前記連結部の領域に、前記複数の頂部電極層を連結する頂部連結電極部が形成された請求項1に記載の縦型電界効果トランジスタ。
Each of the streaky protrusions is provided with a comb-shaped raised region including a plurality of streaky protrusions arranged in parallel to each other on the surface of the substrate and a connecting part that connects them at one end. Forms the convex portion, and each of the plurality of gaps between the streaky projection portions forms the concave portion,
A bottom connection electrode portion that connects the plurality of bottom electrode layers formed for each of the plurality of recesses is formed in a region facing the tip of the comb teeth of the comb-shaped raised region,
Wherein the region of the connecting portion of the comb ridge region, vertical field effect transistor of claim 1 in which the top portion connecting the electrode portion is formed for connecting the plurality of top electrode layers.
前記基板の面方向における前記筋状突起部の幅をW、前記筋状突起部同士の間隔をSとすると、S/W≦10の条件を満たす請求項に記載の縦型電界効果トランジスタ。 The vertical field effect transistor according to claim 7 , wherein the width of the streaky protrusions in the surface direction of the substrate is W, and the distance between the streaky protrusions is S, so that the condition of S / W ≦ 10 is satisfied. 前記基板の面方向における前記筋状突起部の幅をW、前記筋状突起部の前記凹部表面からの高さをHとすると、H/W≧0.3の条件を満たす請求項に記載の縦型電界効果トランジスタ。 When the width of the strip-form protrusions in the surface direction of the substrate is W, the height from the recessed surface of the strip-form protrusions and H, according to satisfy claim 7 H / W ≧ 0.3 Vertical field effect transistor.
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