JP5626959B2 - Contact structure of organic semiconductor device, organic semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は有機半導体トランジスタなどの有機デバイスに関し、特に簡易な工程により有機半導体とのコンタクト抵抗を低減することに関する。   The present invention relates to an organic device such as an organic semiconductor transistor, and particularly relates to reducing contact resistance with an organic semiconductor by a simple process.

有機電界効果トランジスタ(FET)は、シリコン等の無機半導体材料を用いた同様な電界効果型トランジスタと比較して非常に大きいコンタクト抵抗を有することが知られており、デバイス動作の妨げとなっている。   Organic field effect transistors (FETs) are known to have very large contact resistance compared to similar field effect transistors using inorganic semiconductor materials such as silicon, which hinders device operation. .

このコンタクト抵抗を低減する手法についていくつかの提案・報告がなされている。たとえば、非特許文献1では、電極と有機半導体界面にFeClを選択的に挿入することで、金属/絶縁体接触であった電極界面が金属/半導体接触に変化したことが報告されている。また、非特許文献2では、電極/有機半導体界面に遷移金属酸化物層(MoO、WO、V)を挿入することで、有機トランジスタのコンタクト抵抗を低減したことが報告されている。 Several proposals and reports have been made on techniques for reducing this contact resistance. For example, Non-Patent Document 1 reports that by selectively inserting FeCl 3 into the interface between the electrode and the organic semiconductor, the electrode interface that was a metal / insulator contact is changed to a metal / semiconductor contact. Non-Patent Document 2 reports that the contact resistance of an organic transistor was reduced by inserting a transition metal oxide layer (MoO 3 , WO 3 , V 2 O 5 ) at the electrode / organic semiconductor interface. Yes.

さらに本願発明者は、特許文献1において、有機半導体と金属電極の界面に酸化を受けやすい金属の酸化物膜を挿入する方法を提案した。金属酸化物膜は一般的に大きなバンドギャップと深い価電子帯準位を有する。そのため、この方法によれば、金属酸化膜の価電子帯を介して電荷を注入するか、金属酸化膜と有機半導体の間の電荷移動によってキャリアが発生することにより、有機FETのコンタクト抵抗を低減することが可能であった。   Furthermore, the inventor of the present application has proposed a method of inserting a metal oxide film that is easily oxidized at the interface between an organic semiconductor and a metal electrode in Patent Document 1. A metal oxide film generally has a large band gap and a deep valence band level. Therefore, according to this method, the contact resistance of the organic FET is reduced by injecting charges through the valence band of the metal oxide film or by generating carriers due to charge transfer between the metal oxide film and the organic semiconductor. It was possible to do.

本発明の課題は、上記の方法よりさらに簡便な構造により有機半導体デバイスにおけるコンタクト抵抗を低減する素子構造と作製法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an element structure and a manufacturing method for reducing contact resistance in an organic semiconductor device with a simpler structure than the above method.

本発明の一側面によれば、
(a) 電極、
(b) 前記電極と接触する有機半導体層、及び
(c) 前記電極の縁と前記有機半導体層との接触部に隣接して設けられ、前記有機物半導体層に接触する金属酸化物層
を設けた有機半導体デバイスのコンタクト構造が与えられる。
According to one aspect of the invention,
(A) electrodes,
(B) an organic semiconductor layer in contact with the electrode; and (c) a metal oxide layer in contact with the organic semiconductor layer provided adjacent to a contact portion between the edge of the electrode and the organic semiconductor layer. A contact structure for an organic semiconductor device is provided.

本発明の他の側面によれば、
(a) 電極、
(b) 前記電極と接触する有機半導体層、及び
(c) 前記電極前記有機半導体層が接触する領域の縁に隣接して設けられ、前記有機物半導体層に接触する金属酸化物層
を設けた有機半導体デバイスのコンタクト構造が与えられる。
According to another aspect of the invention,
(A) electrodes,
(B) an organic semiconductor layer in contact with the electrode; and (c) an organic layer provided with a metal oxide layer in contact with the organic semiconductor layer provided adjacent to an edge of a region in which the electrode contacts the organic semiconductor layer. A contact structure for a semiconductor device is provided.

本発明の更に他の側面によれば、
(a) ゲート電極、
(b) 前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁層、
(c) 前記ゲート絶縁層上に設けられた有機半導体層、
(d) 前記有機半導体層上に設けられ、夫々ソース及びドレインとして使用される電極、及び
(e) 少なくとも前記有機半導体層の表面と前記電極との端の接触部を覆う金属酸化物層
を設けた有機半導体デバイスが与えられる。
According to yet another aspect of the invention,
(A) a gate electrode;
(B) a gate insulating layer provided on the gate electrode;
(C) an organic semiconductor layer provided on the gate insulating layer;
(D) An electrode provided on the organic semiconductor layer and used as a source and a drain, respectively. (E) A metal oxide layer covering at least a contact portion between the surface of the organic semiconductor layer and the electrode is provided. Organic semiconductor devices are provided.

前記金属酸化物層の厚さは1nm未満であってよい。   The metal oxide layer may have a thickness of less than 1 nm.

また、前記金属酸化物層の厚さは0.5nm以下であってよい。   The metal oxide layer may have a thickness of 0.5 nm or less.

また、前記金属酸化物層は少なくとも前記有機半導体層の表面と前記電極との端との境界線から1nmの幅で前記有機半導体層の表面を覆ってよい。   The metal oxide layer may cover the surface of the organic semiconductor layer with a width of 1 nm from at least a boundary line between the surface of the organic semiconductor layer and an end of the electrode.

また、前記金属酸化物層は前記有機半導体層の表面及び前記電極の表面の全体を覆ってよい。   The metal oxide layer may cover the surface of the organic semiconductor layer and the entire surface of the electrode.

また、前記金属酸化物層はニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、ベリリウム(Be)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、鉄(Fe)からなる群から選ばれた金属の酸化物からなってよい。   The metal oxide layer is made of nickel (Ni), aluminum (Al), beryllium (Be), chromium (Cr), cobalt (Co), zinc (Zn), copper (Cu), iron (Fe). It may consist of an oxide of a metal selected from

また、前記有機物半導体層はπ電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機ケイ素化合物からなる群から選ばれた化合物からなってよい。   The organic semiconductor layer may be composed of a compound selected from the group consisting of π-electron conjugated aromatic compounds, chain compounds, organic pigments, and organosilicon compounds.

また、前記有機半導体層はペンタセン等のアセン系化合物、ペリレン系化合物、オリゴチオフェン類、ポリチオフェン類、銅フタロシアニン等のフタロシアニン類、ポルフィリン類からなる群から選ばれる化合物からなってよい。   The organic semiconductor layer may be made of a compound selected from the group consisting of acene compounds such as pentacene, perylene compounds, oligothiophenes, polythiophenes, phthalocyanines such as copper phthalocyanine, and porphyrins.

本発明の更に他の側面によれば、
(a) ゲート絶縁層で被覆されたゲート電極上に有機半導体層を設ける、
(b) 前記有機半導体層上にソース電極及びドレイン電極を設ける、及び
(c) 少なくとも前記有機半導体層の表面と前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面の接触部を覆う金属酸化物層を設ける
ステップを設けた、有機半導体デバイス作製方法が与えられる。
According to yet another aspect of the invention,
(A) providing an organic semiconductor layer on the gate electrode covered with the gate insulating layer;
(B) providing a source electrode and a drain electrode on the organic semiconductor layer; and (c) providing a metal oxide layer covering at least a contact portion between the surface of the organic semiconductor layer and the surface of the source electrode and the drain electrode. An organic semiconductor device manufacturing method is provided.

また、前記金属酸化物層を設けるステップは
(c−1) 金属層を設ける、及び
(c−2) 前記金属層を酸化する
ステップを含んでよい。
Further, the step of providing the metal oxide layer may include a step of (c-1) providing a metal layer and (c-2) oxidizing the metal layer.

また、前記酸化するステップは、前記金属層を大気に暴露することによって自然酸化するステップを含んでよい。   The oxidizing step may include a natural oxidation step by exposing the metal layer to the atmosphere.

また、前記金属酸化物層を設けるステップは、金属酸化物を直接形成するステップであってよい。   The step of providing the metal oxide layer may be a step of directly forming the metal oxide.

また、前記金属酸化物層はニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、ベリリウム(Be)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、鉄(Fe)からなる群から選ばれた金属の酸化物からなってよい。   The metal oxide layer is made of nickel (Ni), aluminum (Al), beryllium (Be), chromium (Cr), cobalt (Co), zinc (Zn), copper (Cu), iron (Fe). It may consist of an oxide of a metal selected from

また、前記金属酸化物層の厚さは1nm以下であってよい。   The metal oxide layer may have a thickness of 1 nm or less.

また、前記金属酸化物層の厚さは0.5nm以下であってよい。   The metal oxide layer may have a thickness of 0.5 nm or less.

本発明によれば、有機半導体デバイスの製造プロセスを過度に複雑化することなしで、安価な、しかも多様な材料を使用してコンタクト抵抗を大幅に低下させることができる。これにより、有機FETのコンタクト抵抗を非常に簡易な方法・構造で低減することができ、低コストのプロセスによって電気特性の優れた有機デバイスを提供できるようになる。   According to the present invention, contact resistance can be greatly reduced by using inexpensive and various materials without excessively complicating the manufacturing process of the organic semiconductor device. As a result, the contact resistance of the organic FET can be reduced by a very simple method and structure, and an organic device having excellent electrical characteristics can be provided by a low-cost process.

本発明の原理を説明するため、有機電界効果トランジスタのコンタクト近傍における電流注入を示す概略図。FIG. 3 is a schematic diagram showing current injection in the vicinity of a contact of an organic field effect transistor for explaining the principle of the present invention. 作製した有機電界効果トランジスタのデバイス構造を示す概略図。Schematic which shows the device structure of the produced organic field effect transistor. 金属酸化物層としてアルミニウム酸化物およびニッケル酸化物を用いた有機トランジスタのドレイン・ソース電流―ゲート電圧特性を示すグラフ。The graph which shows the drain-source current-gate voltage characteristic of the organic transistor which used aluminum oxide and nickel oxide as a metal oxide layer. 金属酸化物層としてニッケル酸化物層を有する有機トランジスタと、金属酸化物層を持たない有機トランジスタのオン抵抗をチャネル長に対してプロットしたグラフ(TLM)。The graph (TLM) which plotted the on-resistance of the organic transistor which has a nickel oxide layer as a metal oxide layer, and the organic transistor which does not have a metal oxide layer with respect to channel length. 図3のY切片より求めた、金属酸化物層としてアルミニウム酸化物およびニッケル酸化物を用いた有機トランジスタのコンタクト抵抗とゲート電圧の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the contact resistance and gate voltage of the organic transistor which used the aluminum oxide and nickel oxide as a metal oxide layer calculated | required from the Y intercept of FIG. 膜厚0.5nmと1nmのNiを自然酸化させた金属酸化物層を有する有機電界効果トランジスタのドレイン・ソース電流―ゲート電圧特性を示すグラフ。The graph which shows the drain-source current-gate voltage characteristic of the organic field effect transistor which has a metal oxide layer which carried out the natural oxidation of 0.5 nm of thickness and 1 nm of Ni.

以下に説明する本発明の実施例では、ゲート電極1表面に形成されたゲート絶縁層2上に有機半導体層3とソース・ドレイン電極4を順次形成することで従来型のトップコンタクト型有機電界効果トランジスタを作製した後に、有機半導体層3とソース・ドレイン電極4の上面に金属酸化物層5を形成した。これにより、金属酸化物層を設けない場合に比べて、コンタクト抵抗を大幅に低減することができる。   In an embodiment of the present invention described below, a conventional top contact organic field effect is formed by sequentially forming an organic semiconductor layer 3 and a source / drain electrode 4 on a gate insulating layer 2 formed on the surface of a gate electrode 1. After the transistor was fabricated, a metal oxide layer 5 was formed on the top surfaces of the organic semiconductor layer 3 and the source / drain electrodes 4. Thereby, compared with the case where a metal oxide layer is not provided, contact resistance can be reduced significantly.

デバイスの上面に形成された金属酸化物層が素子のコンタクト抵抗を低減するメカニズムは次のように考えられる。図1に示すように、有機FETにおける有機半導体層3への電荷注入は、主にトップコンタクト電極、つまり電極4の端から行われていることが本発明の作用をもたらすと考えられる。すなわち、電気伝導度が一様でない媒体中では、電流は始点から終点までの抵抗が最小となる経路を通って流れることが、この電極端への電流集中の原因である。一方、ペンタセンなどの有機半導体と金属酸化物層との間の電荷移動により、電極端近傍まではキャリアが豊富でトラップの少ない領域が形成される。通常、金などで形成される電極4はペンタセンなどと比較して伝導度が非常に高いため、電極端までは電流は電極4中を伝導し、電極端から有機半導体層3へ注入される。その近傍のトラップ密度を金属酸化物層5によって下げることでコンタクト抵抗が低くなると解釈できる。   The mechanism by which the metal oxide layer formed on the upper surface of the device reduces the contact resistance of the device is considered as follows. As shown in FIG. 1, it is considered that the charge injection into the organic semiconductor layer 3 in the organic FET is mainly performed from the top contact electrode, that is, the end of the electrode 4, to bring about the effect of the present invention. That is, in a medium with non-uniform electrical conductivity, current flows through a path where the resistance from the start point to the end point is minimized, which is the cause of current concentration at the electrode end. On the other hand, due to charge transfer between an organic semiconductor such as pentacene and the metal oxide layer, a region rich in carriers and having few traps is formed up to the vicinity of the electrode end. Usually, the electrode 4 made of gold or the like has a much higher conductivity than that of pentacene or the like, so that current is conducted through the electrode 4 up to the end of the electrode and injected into the organic semiconductor layer 3 from the end of the electrode. It can be interpreted that the contact resistance is lowered by lowering the trap density in the vicinity thereof by the metal oxide layer 5.

すなわち、電極端と接触している有機半導体表面領域(電極端付近と有機半導体の間に何か別の要素が介在しているためにこの部分の抵抗が大きくなっている場合まで考えれば、電極と有機半導体との接触領域の端部)の1nm程度の極く狭い範囲で金属酸化物が有機物半導体と接触していれば十分である。なお、金属酸化物層はもっと広い範囲を覆うようにしても通常は悪影響がないので、たとえば、デバイスの作製プロセスを簡略化したり、あるいは金属酸化物層に保護層などの別の役割も持たせるなどの目的で、デバイス表面全体などのより広い範囲に金属酸化物層5を設けることもできる。   That is, the surface area of the organic semiconductor that is in contact with the electrode end (when considering the case where the resistance of this part is increased due to the presence of some other element between the vicinity of the electrode end and the organic semiconductor, It is sufficient that the metal oxide is in contact with the organic semiconductor in a very narrow range of about 1 nm (at the end of the contact region between the organic semiconductor and the organic semiconductor). Note that even if the metal oxide layer covers a wider area, there is usually no adverse effect. For example, the device manufacturing process is simplified, or the metal oxide layer has another role such as a protective layer. For the purpose, the metal oxide layer 5 can be provided in a wider range such as the entire device surface.

なお、説明を簡単にするため、上ではトップコンタクト構造の有機半導体デバイスを例に挙げて本発明の原理を説明したが、ゲート絶縁膜の上にソース・ドレイン電極を設置してからその上に有機半導体層を設けるボトムコンタクト構造の場合であっても、本発明を同様に適用することができる。すなわち、上で説明したように、電極の縁(より一般的には電極のうちで電流が集中して流出/流入する箇所)と有機半導体層との接触部に隣接した位置において、有機半導体層に接触している状態で金属酸化物が存在することが重要である。したがって、ボトムコンタクト構造においても、たとえば、ゲート絶縁膜と電極層の間に金属酸化物層を設けたりあるいは電極の上に金属酸化物層を被せるなどの構造をとることで電極の端部に隣接した位置で金属酸化物を有機半導体に接触させることにより、本発明を適用することができる。   In order to simplify the explanation, the principle of the present invention has been described above by taking an organic semiconductor device having a top contact structure as an example. However, after the source / drain electrodes are installed on the gate insulating film, Even in the case of a bottom contact structure in which an organic semiconductor layer is provided, the present invention can be similarly applied. In other words, as described above, the organic semiconductor layer is located at a position adjacent to the contact portion between the edge of the electrode (more generally, a portion of the electrode where current concentrates and flows out / inflow) and the organic semiconductor layer. It is important that the metal oxide is present in contact with the metal. Therefore, even in the bottom contact structure, for example, a metal oxide layer is provided between the gate insulating film and the electrode layer, or a structure in which the metal oxide layer is covered on the electrode is adjacent to the end of the electrode. The present invention can be applied by bringing a metal oxide into contact with an organic semiconductor at the position.

なお、「電極端」、「電極の縁」、「接触領域の端部」なる用語の使い方についてここで注意しておく。このように言ってもその周縁部全体を指しているのではなく、電極などのうちで電流が集中する特定の箇所を指している。たとえば上で例に挙げた有機半導体FETでは、ソース電極/ドレイン電極中で電流経路の抵抗が一番小さいという意味でドレイン電極/ソース電極に一番近い部分(通常は、ソース電極のうちでドレイン電極側を向いていてそこへの距離が一番小さい端、及びドレイン電極のうちでソース電極側を向いていてそこへの距離が一番小さい端)を指していると理解しなければならない。   It should be noted here that the terms “electrode end”, “electrode edge”, and “contact region end” are used. Even if it says in this way, it does not indicate the whole peripheral part, but indicates a specific part of the electrode or the like where current is concentrated. For example, in the organic semiconductor FET exemplified above, the portion closest to the drain electrode / source electrode in the sense that the resistance of the current path is the smallest among the source electrode / drain electrode (usually, the drain electrode among the source electrodes) It should be understood that it points to the end that faces the electrode side and has the smallest distance to it, and the end of the drain electrode that faces the source electrode side and has the smallest distance to it.

上記の金属酸化物層5として、スパッタリングや真空蒸着等の方法で金属酸化物を直接形成することも可能であるし、酸化を受けやすい金属薄膜を形成後に大気に暴露することにより周囲の酸素によって自然酸化膜に変化させて用いることもできる。上記の周囲の酸素は、前記の工程の完了後に素子を作製容器の外に取り出した際に、空気に暴露することによって供給されるようにできる。   As the metal oxide layer 5, it is possible to directly form a metal oxide by a method such as sputtering or vacuum vapor deposition, or by exposing to the atmosphere after forming a metal thin film that is easily oxidized, by surrounding oxygen. It can also be used as a natural oxide film. The ambient oxygen can be supplied by exposure to air when the device is removed from the fabrication vessel after completion of the above steps.

本発明においては、金属酸化物層としてあらゆる種類の金属酸化物を用いることが可能であり、安定な金属酸化物であればその種類を問わない。また、大気中における金属の自然酸化現象によって金属酸化物層を形成する場合も、酸化を受け易くまた安定な金属酸化物を生成する材料であればその種類を問わない。すなわち、金属酸化物層としては、下で具体的に示したニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)に加えて、特に限定する意図はないが、たとえばベリリウム(Be)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、鉄(Fe)などの酸化物の層が使用可能である。
金属酸化物層の膜厚として、Ni酸化物のような導電性の金属酸化物を用いる場合では1nm未満が望ましい。これは、金属酸化物層が導電性を有する場合には、膜厚が厚すぎるとソース・ドレイン電極間が短絡し、有機FETのオフ電流が増大してしまうためである(詳細は後述)。なお、金属酸化物層をデバイスの表面全体に設けるかわりに必要な電極の周辺だけに設けるなど、この層を通ってソース・ドレイン間に大きな漏れ電流が流れないようにすれば、導電性の金属酸化物を使用することによる層の厚さの制限はなくなる。しかしながら、通常は0.5nm以下の膜厚があればコンタクト抵抗を低減するのに十分な効果が得られる。
In the present invention, any type of metal oxide can be used as the metal oxide layer, and any type can be used as long as it is a stable metal oxide. In addition, even when the metal oxide layer is formed by a natural oxidation phenomenon of metal in the atmosphere, any material can be used as long as it is a material that easily undergoes oxidation and generates a stable metal oxide. That is, the metal oxide layer is not particularly limited in addition to nickel (Ni) and aluminum (Al) specifically shown below. For example, beryllium (Be), chromium (Cr), cobalt ( Co), zinc (Zn), copper (Cu), iron (Fe) and other oxide layers can be used.
The thickness of the metal oxide layer is preferably less than 1 nm when a conductive metal oxide such as Ni oxide is used. This is because when the metal oxide layer is conductive, if the film thickness is too thick, the source and drain electrodes are short-circuited, and the off-current of the organic FET increases (details will be described later). If a large leakage current does not flow between the source and drain through this layer, such as by providing a metal oxide layer only around the necessary electrodes instead of over the entire device surface, conductive metal There is no limit to the layer thickness due to the use of oxides. However, normally, if there is a film thickness of 0.5 nm or less, an effect sufficient to reduce the contact resistance can be obtained.

Al酸化物のような絶縁性の材料を金属酸化物層とした場合は、1nm以上の膜厚があってもオフ電流を劣化させることがなく、より厚い膜厚で用いることも可能であるが、この場合でも0.5nm以下の膜厚があればコンタクト抵抗を低減するのに十分な効果が得られる。   When an insulating material such as an Al oxide is used as the metal oxide layer, the off-current is not deteriorated even if the film thickness is 1 nm or more, and a thicker film can be used. Even in this case, if there is a film thickness of 0.5 nm or less, an effect sufficient to reduce the contact resistance can be obtained.

なお、金属酸化物層がデバイス表面全体を覆う代わりにソース電極とドレイン電極夫々の縁部に局在している構造の場合は、局在している夫々の酸化物膜の間に導電率の高い物質が介在しない限り、酸化物膜を介した漏れ電流への上述の対策は特に必要ない。   In the case of a structure in which the metal oxide layer is localized at the edge of each of the source electrode and the drain electrode instead of covering the entire device surface, the conductivity of each of the localized oxide films is between As long as a high substance is not present, the above-described countermeasure against the leakage current through the oxide film is not particularly necessary.

代表的な有機半導体としてペンタセンを具体例に用いているが、本発明の効果はすべてのp型有機半導体に対して有効でありペンタセンに限らない。現在知られている有機半導体としては、たとえば、π電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機ケイ素化合物等が挙げられる。より具体的には、ペンタセン,ペンタセン誘導体,アントラセン,アントラセン誘導体といったアセン系化合物、ペリレン系化合物、オリゴチオフェン類,ポリチオフェン類とその誘導体、銅フタロシアニン,亜鉛フタロシアニンといったフタロシアニン類とその誘導体、ポルフィリン類とその誘導体等がある。本発明で使用可能な有機半導体はもちろんこれらに限定されるものではない。   Although pentacene is used as a specific example of a typical organic semiconductor, the effect of the present invention is effective for all p-type organic semiconductors and is not limited to pentacene. Examples of currently known organic semiconductors include π-electron conjugated aromatic compounds, chain compounds, organic pigments, and organosilicon compounds. More specifically, acene compounds such as pentacene, pentacene derivatives, anthracene and anthracene derivatives, perylene compounds, oligothiophenes, polythiophenes and derivatives thereof, phthalocyanines and derivatives thereof such as copper phthalocyanine and zinc phthalocyanine, porphyrins and derivatives thereof There are derivatives and the like. Of course, the organic semiconductor usable in the present invention is not limited to these.

また、本発明の効果は電極と有機半導体界面におけるものであるため、図1のように有機半導体層の上部に接するようにソース、ドレイン電極を有するなど、電極から有機半導体へ注入される電流が電極端部に集中するようなデバイス構造であれば、他の部分のデバイス構造は問わない。したがって、たとえば上述のボトムコンタクト構造を持つ有機半導体デバイス一般にも本発明を適用できる。   In addition, since the effect of the present invention is at the interface between the electrode and the organic semiconductor, a current injected from the electrode to the organic semiconductor such as having a source and a drain electrode in contact with the upper portion of the organic semiconductor layer as shown in FIG. Any other device structure may be used as long as the device structure concentrates on the electrode end. Therefore, for example, the present invention can be applied to general organic semiconductor devices having the above-described bottom contact structure.

また、電極材料としては金を用いているが、本発明の効果は他の電極材料に対しても有効であり、その種類を問わない。   Further, although gold is used as the electrode material, the effect of the present invention is also effective for other electrode materials, regardless of the type.

図2に示す、金属酸化物層を有する有機FETを以下のように作製した。ゲート電極1として働く高ドープシリコンウエハの表面に、ゲート絶縁膜2として働く200nmのシリコン酸化膜を形成したものを基板として用いた。シリコン酸化膜表面をPhenethyltrichlorosilaneによって改質した後に、有機半導体層3としてペンタセンを膜厚40nmの条件で真空蒸着し、その上にソース・ドレイン電極4として金を40nmの膜厚でパターニングした。さらに、素子上面にAlまたはNiを0.5 nmの膜厚で真空蒸着し、その後に大気に暴露することによって、大気下での金属の自然酸化により金属酸化物層5を形成した。   An organic FET having a metal oxide layer shown in FIG. 2 was produced as follows. A substrate obtained by forming a 200 nm silicon oxide film serving as the gate insulating film 2 on the surface of a highly doped silicon wafer serving as the gate electrode 1 was used. After modifying the surface of the silicon oxide film with phenylenetrichlorosilane, pentacene was vacuum-deposited as the organic semiconductor layer 3 under a condition of a film thickness of 40 nm, and gold was patterned as a source / drain electrode 4 with a film thickness of 40 nm. Furthermore, Al or Ni was vacuum-deposited with a film thickness of 0.5 nm on the upper surface of the device, and then exposed to the atmosphere, whereby the metal oxide layer 5 was formed by natural oxidation of the metal under the atmosphere.

作製した有機FETの電気測定を窒素雰囲気下にて行った結果、図3のグラフに示すように、Al酸化層またはNi酸化層を金属酸化物層として有する素子は、金属酸化物層を有しない素子と比較して、ドレイン電流が増大した。   As a result of conducting electrical measurement of the manufactured organic FET in a nitrogen atmosphere, as shown in the graph of FIG. 3, the element having an Al oxide layer or a Ni oxide layer as a metal oxide layer does not have a metal oxide layer. Compared with the device, the drain current increased.

また、上記ドレイン電流増大の要因を解明するため、Transmission Line Model(TLM)法によって分析を行った。トランジスタのオン抵抗をY軸、チャネル長をX軸として図4のグラフにプロットし、図5に示すように、そのフィッティングラインのY切片からコンタクト抵抗の値を算出した。その結果、ゲート電圧−40Vにおいて、金属酸化層を有しない素子のコンタクト抵抗の値が22300Ωcmであったのに対し、Al酸化物層を有する素子で15400Ωcm、Ni酸化物層を有する素子では8600Ωcmであった。金属酸化物層を有する素子では、金属酸化物層を有しない素子と比較して、コンタクト抵抗が大幅に減少している事が明らかになった。(ここで使用したTLM法は当業者には周知の方法であるので、本明細書では本方法自体の詳細は説明しないが、必要であれば、たとえば非特許文献3を参照されたい。)   Further, in order to elucidate the cause of the increase in the drain current, an analysis was performed by a transmission line model (TLM) method. The on-resistance of the transistor was plotted in the graph of FIG. 4 with the Y axis and the channel length as the X axis, and the contact resistance value was calculated from the Y intercept of the fitting line as shown in FIG. As a result, at a gate voltage of −40 V, the contact resistance value of the element not having the metal oxide layer was 22300 Ωcm, whereas the element having the Al oxide layer was 15400 Ωcm, and the element having the Ni oxide layer was 8600 Ωcm. there were. It was found that the contact resistance of the element having the metal oxide layer was greatly reduced as compared with the element having no metal oxide layer. (Since the TLM method used here is a method well known to those skilled in the art, details of the method itself will not be described in this specification, but if necessary, refer to, for example, Non-Patent Document 3.)

更に、金属酸化物層としてNi酸化物のような導電性の金属酸化物を用いる場合の厚みが有機FETの特性に与える影響を調べるため、Ni酸化物層の厚みが1nmと0.5nmの2通りの場合について図2の構造のデバイスを作製し、そのゲート電圧−ドレイン電流特性を測定した。その結果を図6に示す。この図から判るように、この層の厚みは1nm未満が望ましい。これは、金属酸化物層が導電性を有する場合、膜厚が厚すぎると、ソース・ドレイン電極間の漏れ電流により有機FETのオフ電流が増大してしまうためである。   Furthermore, in order to investigate the influence of the thickness when a conductive metal oxide such as Ni oxide is used as the metal oxide layer on the characteristics of the organic FET, the thickness of the Ni oxide layer is 2 nm of 1 nm and 0.5 nm. In each case, a device having the structure shown in FIG. 2 was prepared, and its gate voltage-drain current characteristics were measured. The result is shown in FIG. As can be seen from this figure, the thickness of this layer is preferably less than 1 nm. This is because when the metal oxide layer is conductive, if the film thickness is too thick, the off-current of the organic FET increases due to the leakage current between the source and drain electrodes.

本発明によれば、これまでに提案されたものよりも更に簡単な有機半導体デバイス構造、製造プロセスにより、コンタクト抵抗を大幅に低下させることができるため、本発明は有機半導体デバイスの実用化に当たって大いに有用である。   According to the present invention, since the contact resistance can be greatly reduced by a simpler organic semiconductor device structure and manufacturing process than those proposed so far, the present invention is greatly improved in practical use of organic semiconductor devices. Useful.

1 ゲート電極
2 ゲート絶縁層
3 有機半導体層
4 ソース・ドレイン電極
5 金属酸化物層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gate electrode 2 Gate insulating layer 3 Organic-semiconductor layer 4 Source / drain electrode 5 Metal oxide layer

特願2009−268309Japanese Patent Application No. 2009-268309

Applied Physics Letters, 84, 1004 (2004)R. Schroeder, et al., ‘Improving organic transistor performance with Schottky contacts’Applied Physics Letters, 84, 1004 (2004) R.A. Schroeder, et al. , ‘Improving organic transistor performance with Schottky contacts’ Applied Physics Letters, 87, 193508 (2005)C.−W. Chu, et al., ‘High−performance organic thin−film transistors with metal oxide/metal bilayer electrode’Applied Physics Letters, 87, 193508 (2005) C.I. -W. Chu, et al. , ‘High-performance organic thin-film transducers with metal oxide / metal bilayer electrode’ Applied Physics Letters 91, 053508 (2007)T. Minari, et al., ‘Charge injection process in organic field−effect transistors’Applied Physics Letters 91, 053508 (2007) T .; Minari, et al. , ‘Charge injection process in organic field-effect transistors’

Claims (11)

以下の(a)から(e)を設けた有機半導体デバイス。An organic semiconductor device provided with the following (a) to (e).
(a) ゲート電極。(A) A gate electrode.
(b) 前記ゲート電極上に設けられたゲート絶縁層。(B) A gate insulating layer provided on the gate electrode.
(c) 前記ゲート絶縁層上に設けられた有機半導体層。(C) An organic semiconductor layer provided on the gate insulating layer.
(d) 前記有機半導体層上に設けられ、夫々ソース及びドレインとして使用される電極。(D) An electrode provided on the organic semiconductor layer and used as a source and a drain, respectively.
(e) 少なくとも前記有機半導体層の表面と前記電極の端との境界線から1nmの幅で前記有機半導体層の表面を覆う金属酸化物層。(E) A metal oxide layer covering the surface of the organic semiconductor layer with a width of 1 nm from at least a boundary line between the surface of the organic semiconductor layer and the end of the electrode.
前記金属酸化物層の厚さは1nm未満である、請求項1に記載の有機半導体デバイス。The organic semiconductor device according to claim 1, wherein the metal oxide layer has a thickness of less than 1 nm. 前記金属酸化物層の厚さは0.5nm以下である、請求項2に記載の有機半導体デバイス。The organic semiconductor device according to claim 2, wherein the metal oxide layer has a thickness of 0.5 nm or less. 前記金属酸化物層はニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、ベリリウム(Be)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、鉄(Fe)からなる群から選ばれた金属の酸化物からなる、請求項1から請求項3の何れかに記載の有機半導体デバイス。 The metal oxide layer is selected from the group consisting of nickel (Ni), aluminum (Al), beryllium (Be), chromium (Cr), cobalt (Co), zinc (Zn), copper (Cu), and iron (Fe). The organic-semiconductor device in any one of Claims 1-3 consisting of the oxide of the obtained metal . 前記有機物半導体層はπ電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、有機ケイ素化合物からなる群から選ばれた化合物からなる、請求項1から請求項4の何れかに記載の有機半導体デバイス。 The organic semiconductor layer according to any one of claims 1 to 4, wherein the organic semiconductor layer is made of a compound selected from the group consisting of a π-electron conjugated aromatic compound, a chain compound, an organic pigment, and an organosilicon compound. device. 前記有機半導体層はペンタセン等のアセン系化合物、ペリレン系化合物、オリゴチオフェン類、ポリチオフェン類、銅フタロシアニン等のフタロシアニン類、ポルフィリン類からなる群から選ばれる化合物からなる、請求項1から請求項5の何れかに記載の有機半導体デバイス。 The organic semiconductor layer is made of a compound selected from the group consisting of acene compounds such as pentacene, perylene compounds, oligothiophenes, polythiophenes, phthalocyanines such as copper phthalocyanine, and porphyrins . An organic semiconductor device according to any one of the above. 以下の(a)から(c)のステップを設けた、有機半導体デバイス作製方法。An organic semiconductor device manufacturing method provided with the following steps (a) to (c).
(a) ゲート絶縁層で被覆されたゲート電極上に有機半導体層を設ける。(A) An organic semiconductor layer is provided on a gate electrode covered with a gate insulating layer.
(b) 前記有機半導体層上にソース電極及びドレイン電極を設ける。(B) A source electrode and a drain electrode are provided on the organic semiconductor layer.
(c) 以下のステップ(c−1)及び(c−2)を設け、少なくとも前記有機半導体層の表面と前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面の接触部を覆う金属酸化物層を設ける。(C) The following steps (c-1) and (c-2) are provided, and a metal oxide layer covering at least a contact portion between the surface of the organic semiconductor layer and the surfaces of the source electrode and the drain electrode is provided.
(c−1) 金属層を設ける。(C-1) A metal layer is provided.
(c−2) 前記金属層を酸化する。(C-2) The metal layer is oxidized.
前記酸化するステップは、前記金属層を大気に暴露することによって自然酸化するステップを含む、請求項7に記載の有機半導体デバイス作製方法。The organic semiconductor device manufacturing method according to claim 7, wherein the oxidizing step includes a step of spontaneous oxidation by exposing the metal layer to the atmosphere. 前記金属酸化物層はニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、ベリリウム(Be)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、鉄(Fe)からなる群から選ばれた金属の酸化物からなる、請求項7または請求項8に記載の有機半導体デバイス作製方法。The metal oxide layer is selected from the group consisting of nickel (Ni), aluminum (Al), beryllium (Be), chromium (Cr), cobalt (Co), zinc (Zn), copper (Cu), and iron (Fe). The organic-semiconductor device manufacturing method of Claim 7 or Claim 8 which consists of an oxide of the obtained metal. 前記金属酸化物層の厚さは1nm以下である、請求項7から請求項9の何れかに記載の有機半導体デバイス作製方法。The method for producing an organic semiconductor device according to claim 7, wherein the metal oxide layer has a thickness of 1 nm or less. 前記金属酸化物層の厚さは0.5nm以下である、請求項7から請求項9の何れかに記載の有機半導体デバイス作製方法。The organic semiconductor device manufacturing method according to claim 7, wherein the metal oxide layer has a thickness of 0.5 nm or less.
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