JP5638944B2 - 有機薄膜トランジスタ - Google Patents
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Description
本発明は、有機薄膜トランジスタに関する。
トランジスタは主に、バイポーラ接合トランジスタと電界効果トランジスタの２つのタイプに分類することができる。これら２つのタイプは、３つの電極と、これら電極間においてチャネル領域に設けられる半導体材料とを備えた共通の構造を有している。バイポーラ接合トランジスタの３つの電極は、エミッタ、コレクタ、ベースとして知られている。一方、電界効果トランジスタでは、ソース、ドレイン、ゲートとして知られている。バイポーラ接合トランジスタは、エミッタ−コレクタ間電流がベース−エミッタ間電流によって制御されるため、電流制御素子と呼称されることもある。これに対し、電界効果トランジスタは、ソース−ドレイン間電流がゲート−ソース間電圧によって制御されるため、電圧制御素子と呼称されることもある。
また、トランジスタは、正電荷担体（正孔）を伝導させる半導体材料から構成されるか、又は負電荷担体（電子）を伝導させる半導体材料から構成されるかによって、ｐ型とｎ型に分類することができる。半導体材料は、電荷を受容し、伝導させ、供与する能力によって選択される。半導体材料の正孔又は電子を受容し、伝導させ、供与する能力は、半導体材料にドーピングを行うことによって増大させることができる。ソース電極及びドレイン電極に使用される材料もまた、正孔又は電子を受容し、注入する能力によって選択される。例えば、ｐ型トランジスタ素子の場合は、正孔を受容し、伝導させ、供与することに優れた半導体材料を選択し、且つ正孔を注入すること、また該半導体材料から正孔を受容することに優れたソース／ドレイン電極材料を選択することによって形成することができる。電極のフェルミ準位と半導体材料のＨＯＭＯ準位を可及的に整合させることによって、正孔注入及び受容能力を増大させることができる。一方、ｎ型トランジスタ素子の場合は、電子を受容し、伝導させ、供与することに優れた半導体材料を選択し、且つ該半導体材料に電子を注入し、また該半導体材料から電子を受容することに優れたソース／ドレイン電極材料を選択することによって形成することができる。電極のフェルミ準位と半導体材料のＬＵＭＯ準位を可及的に整合させることによって、電子注入及び受容能力を増大させることができる。
複数の構成要素を薄膜状に積層してトランジスタを形成することで薄膜トランジスタが形成される。そのような素子において、半導体材料として有機材料を使用したものは、有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）として知られる。ＯＴＦＴは、例えば、溶液を用いる成膜法（溶液法）のような低コスト且つ低温で実施可能な方法によって作製してもよい。さらに、ＯＴＦＴは可撓性プラスチック基板に対して適合性があるので、ロール・ツー・ロール製法によって、可撓性基板上にＯＴＦＴを大量生産することが可能となると考えられる。
有機薄膜トランジスタにおいては、様々な構成が知られている。そのような素子の１つとして、絶縁ゲート型電界効果トランジスタが挙げられる。このトランジスタは、ソース電極及びドレイン電極と、それら電極間のチャネル領域に設けられた半導体材料と、該半導体材料の近傍に設けられたゲート電極と、チャネル領域において該ゲート電極と該半導体材料との間に設けられた絶縁層とを備える。
そのような有機薄膜トランジスタの一例が、図１に示されている。図示された構造は、（図示されていない）基板上に積層される。該構造は、ソース電極及びドレイン電極２、４を有し、これら電極は、電極間に位置するチャネル領域６によって互いに離間している。有機半導体（ＯＳＣ）８はチャネル領域６に形成され、ソース及びドレイン電極２、４の少なくとも一部を覆うように延在してもよい。誘電体材料からなる絶縁層１０は、有機半導体８の上に形成され、ソース及びドレイン電極２、４の少なくとも一部を覆うように延在してもよい。最後に、ゲート電極１２が、絶縁層１０の上に積層される。ゲート電極１２は、チャネル領域６の上方に位置し、ソース及びドレイン電極２、４の少なくとも一部を覆うように延在してもよい。
上述の構造は、ゲートが素子の最上部に位置するためトップゲート型有機薄膜トランジスタとして知られている。又は、素子の底部にゲートを設けるいわゆるボトムゲート型有機薄膜トランジスタも知られている。
有機薄膜トランジスタの問題として、寄生ゲート容量及びソース／ドレインにおけるゲートリークがある。図１で示したような従来の構成において、上述の問題は、ゲート絶縁材料の厚さを増やすことで解決することができる。しかしながら、ゲート絶縁材料の厚さをチャネル領域近傍で増加させると、トランジスタをＯＮするために高い電圧が必要となる。従って、好適な解決手段は、ゲートとソース／ドレインが重なる領域においてのみ、ゲート絶縁材料の厚さを増加させることである。そのような解決手段は、以下の文献によって公知である。
米国特許出願公開第２００６／０６０８５５号明細書には、ゲート電極とソース／ドレイン電極が重なる領域のみに付加的な絶縁層を積層することが開示されている。この付加的な絶縁層は、ゲートを積層する前に、主たるゲート誘電体層の上に積層され、パターニング加工される。
米国特許出願公開第２００６／２２００２２号明細書には、ゲート絶縁層の厚さを変化させることが開示されている。このゲート絶縁層は、チャネル上の中心領域では薄く、ゲートがソース／ドレインと重なる周辺領域では厚い。
上述した２つの構成における問題としては、有機半導体層の上に追加の誘電体層を積層する必要があり、これにより有機半導体層にダメージを与える可能性があることが挙げられる。他の問題として、ソース−ドレイン間のチャネル領域に対するゲートの位置合わせのように、素子において全ての層の位置合わせを行うことが困難であることが挙げられる。さらに、有機半導体材料のチャネル領域内への形成も問題になる。
上述の米国特許出願公開第２００６／０６０８５５号明細書に開示された構成における他の問題として、ゲート誘電体層上にさらなる誘電体材料層を積層し、例えば、エッチングによってこのさらなる層をパターニング加工することが必要なことが挙げられる。これにより、チャネル領域において下側にあるゲート誘電体層にダメージを与え、トランジスタの性能に影響を与える可能性がある。
上述の米国特許出願公開第２００６／２２００２２号明細書に開示されている構成における他の問題としては、厚さを変化させたゲート誘電体層を、均一な特性を有する素子が得られるように再現性良く形成することが困難なことが挙げられる。
本発明の目的は、上述した問題を解決する手段を提供することにある。
本発明に係る第１の形態によれば、基板と、チャネルを規定するソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上に設けられる絶縁層と、前記チャネルにまたがって設けられる有機半導体層と、誘電体層と、前記誘電体層上に設けられるゲート電極と、を備えた有機薄膜トランジスタが提供される。
有機半導体層がチャネルを通って流れる電荷担体の経路を供与する役割を果たしていることは、当業者には理解できよう。この層はソース電極及びドレイン電極の下方又は上方に設けることができる。従って、有機半導体層を、基板とソース電極及びドレイン電極との間に設けるようにしてもよい（すなわち、ソース電極及びドレイン電極を積層する前に有機半導体層が積層される）。しかしながら、絶縁層を形成した後に、有機半導体層を積層することが好ましい。
絶縁層は、ソース電極及びドレイン電極の一部の領域上に、又は全ての領域上に設けられる。
本発明の実施形態では、ゲートの周辺部分とソース及びドレインとを分離する絶縁層が設けられる。これにより、容量と、ソース及びドレインに対するゲートリークとを最小限に抑制する。絶縁層はまた、ウェルを構成するようにも機能する。このウェル内に有機薄膜トランジスタのその他の層を積層することができ、位置合わせを向上させることができる。特に、ウェルの周囲部によって、ソース電極とドレイン電極との間のチャネルの一部又は全てが囲繞されるので、有機半導体材料を、例えば、インクジェット印刷法によって積層することが容易になる。さらに、有機半導体層及びゲート誘電体を形成する前に絶縁層を形成するので、有機半導体層及びゲート誘電体にダメージを与えることなく、積層及びパターニング加工を行うことができる。該構造は、周知の形成技術及びパターニング技術（ポジ型又はネガ型レジストのフォトリソグラフィ、ウェットエッチング、ドライエッチング等）を用いて再現可能な方法で形成され、低容量、且つソース及びドレインに対して低リークである均一な特性を有する素子を作製することができる。
本発明に係る第２の形態によれば、基板上にソース及びドレイン材料を設ける工程と、前記ソース及びドレイン材料の上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層をパターニング加工してウェルを形成する工程と、前記ウェル内の前記ソース及びドレイン材料をエッチングしてソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、前記ウェル内に有機半導体材料を設ける工程と、前記有機半導体材料上に誘電体材料を設ける工程と、前記誘電体材料上にゲート電極を形成する工程とを備えた有機薄膜トランジスタの製造方法が提供される。
絶縁層は、例えば、マスクを介して蒸着用絶縁材料を蒸着することによって、パターニング加工された形態で直接形成してもよい。しかしながら、絶縁層をパターニング加工されていない形態で形成し、その後、例えば、スピンコート及びフォトレジストの現像によってパターニング加工を行うことが好ましい。
本発明の上記形態において、絶縁層は、ソース電極及びドレイン電極を形成するために金属エッチングを行う際、マスクとして機能する。絶縁層はまた、有機薄膜トランジスタの他の層を形成するためのウェルとしても機能する。従って、本方法は、ソース及びドレインと上部の層とのセルフアライン技術を提供する。本発明のこの形態において、パターニング加工された絶縁層は、フォトレジスト層の上表面をＵＶ光で露光することによって形成されることが好ましい。
本発明に係る第３の形態によれば、透明基板上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層をパターニング加工してウェルを形成する工程と、前記ウェル内に有機半導体材料を設ける工程と、前記有機半導体材料上に誘電体材料を設ける工程と、前記誘電体材料上にゲート電極を形成する工程と、を備えた有機薄膜トランジスタの製造方法が提供される。
本発明のこの形態によれば、パターニング加工された絶縁層を形成する前に、ソース電極及びドレイン電極がパターニング加工される。
絶縁層は、例えば、マスクを介して蒸着用絶縁材料を蒸着することによって、パターニング加工された形態で直接形成してもよい。しかしながら、ソース電極及びドレイン電極の上にフォトレジスト層を形成し、透明基板を通じてフォトレジストを露光することによって、パターニング加工された絶縁層を形成することが好ましい。従って、ソース電極及びドレイン電極は、フォトレジスト層のパターニング加工のためのセルフアラインマスクとして機能する。
上記第２の形態又は第３の形態のセルフアラインプロセスによって、工程数を最小限に抑え、且つチャネル領域外の重なり領域においてソース／ドレインとゲートとの間に厚い絶縁層を形成することができる。また、容量や電流リークを不適切に増大させることなく、ゲートの物理的な幅を増大させることができる（すなわち、印刷法による形成が可能となる）。従って、本発明の実施形態によれば、簡素な工程によって、ソース電極及びドレイン電極とその他の層との位置合わせを行うことが可能となり、同時に、容量及びゲートリークを低減することができる。さらに、簡便なパターニング技術を用いて、印刷法や成膜法等でゲートを形成することができる。
本発明に係る第４の形態によれば、基板と、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられた誘電体層と、誘電体層上に設けられ、チャネルを規定するソース電極及びドレイン電極と、チャネルにまたがって設けられる有機半導体層と、ソース電極及びドレイン電極と誘電体層との間に設けられる絶縁層とを備えた有機薄膜トランジスタが提供される。
本発明に係る第４の形態であるボトムゲート型構成は、本発明に係る第１の形態であるトップゲート型構成と同様に、寄生容量を最小限に抑えるように機能する。
上述の第４の形態に係る一実施態様において、絶縁層の厚さは、チャネル領域の下側よりもソース／ドレイン電極の下側の方が大きい。第４の形態に係る他の実施態様において、チャネル領域の下側には絶縁層は存在しない。
本発明に係る第５の形態によれば、互いの間にチャネルが形成されたソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、前記ゲート電極と前記ソース電極及び前記ドレイン電極との間に設けられた誘電体層と、前記チャネル内に設けられた有機半導体層とを備えた有機薄膜トランジスタの製造方法であって、前記有機半導体層は、絶縁層内に規定されたウェル内に印刷法で形成されることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法が提供される。
好ましくは、有機半導体層は、インクジェット印刷法によって形成される。
上記第５の形態に係る薄膜トランジスタは、トップゲート型素子であってもよく、ボトムゲート型素子であってもよい。トップゲート型素子である場合、絶縁層は、上記第１の形態において記載したものであることが好ましい。ボトムゲート型素子である場合、絶縁層は、ゲート誘電体層になる。すなわち、該誘電体層をエッチング又はパターニング加工して、ゲート電極の上の領域にゲート誘電体層の厚みの一部まで延在するウェルを形成する。このような構造を有するＯＴＦＴは、特開２００５−１０８９４９号公報に開示されている。しかし、この開示では、有機半導体は、本発明の上記形態に係る印刷法ではなく、蒸着法で形成されている。又は、絶縁層は、ゲート誘電体上に形成されたフォトレジスト層から形成してもよい。このフォトレジスト層をパターニング加工することにより上述のウェルが形成される。
以下、本発明の例が添付の図面を参照して詳細に説明される。
図２は、本発明の実施形態に係るトップゲート型有機薄膜トランジスタ構造を示す。このトランジスタは、絶縁ゲート型電界効果タイプである。
該トランジスタは、図１及び背景技術で述べたものと同様の構造を有する。理解を容易にするため、図１と共通の層に対しては同一の参照符号を用いる。重要な相違点は、図２における構成において、絶縁層１４が、ソース及びドレイン２、４の上に設けられ、ウェルを形成する点にある。この層によって、容量と、ソース及びドレインに対するゲートリークとを最小限に抑制するべく、上部に設けられるゲート電極１２の周辺部がソース及びドレイン２、４から分離される。絶縁層１４はまた、ウェルを構成する機能を果たす。該ウェル内に、有機薄膜トランジスタの他の層を積層することが可能であり、これにより位置合わせを向上することができる。
図３ａは、図２の有機薄膜トランジスタを形成する工程を示す。ステップ１において、ソース／ドレイン材料２、４が基板１（不透明であってもよく、又は透明であってもよい）上に積層される。ステップ２において、絶縁層１４がソース／ドレイン材料１、４の上に積層される。
ステップ３において、絶縁層１４はパターニング加工されてウェルが形成される。絶縁層１４は、下部に設けられたソース／ドレイン材料２、４に対してダメージを与えずに積層及びパターニング加工することでウェルを形成し得るのであれば、如何なる絶縁材料であってもよい。絶縁層１４は、容易にスピンコート及びパターニング加工し得るポリイミドのような有機フォトレジストであってもよい。絶縁材料に対してフッ素化処理を行い、濡れ性を変化させてもよい。又は、フッ素化されたフォトレジスト又はフッ素化と同等の処理が行われたフォトレジストを用いてもよい。そのような材料を用いたウェル（バンク構造）の形成は、有機発光素子の分野においては周知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
ステップ４において、ソース及びドレイン材料をエッチングし、ソース及びドレイン電極２、４を形成する。ウェットエッチング又はドライエッチングにおける、種々の標準的な金属エッチングが用いられる。これらは当分野では周知であり、ここでは詳細な説明は行わない。絶縁層１４は、ソース／ドレイン金属をエッチングする際のエッチングマスクとして機能する。従って、上記方法によって、ソース及びドレインと上部の層とでセルフアラインすることが可能となる。金属エッチング処理後、絶縁層に対して等方性エッチングを行い、絶縁層を薄くし且つまた図示されているようにウェル内のソース／ドレインの端部から絶縁層材料を除去してもよい。好適な等方性エッチングとしては、例えば、ＣＦ4：Ｏ2、Ｏ2プラズマ等がある。
ステップ５において、有機半導体材料８を積層する。有機半導体材料８は、例えば、スピンコート法、より好ましくはインクジェット印刷法によって、絶縁層１４で構成されたウェル内に溶液から形成することを可能にするべく、溶液からの成膜が可能なもの（溶液法を適用することが可能であるもの）であることが好ましい。有機半導体材料８としては、ポリマー又はデンドリマーの中、良好な溶液法適用可能材料であることが証明されているものが挙げられる。そのような半導体材料は当該分野において多くのものが知られており、例えば、有機発光素子では共役ポリマー、共役デンドリマーが有用である。
ステップ６において、誘電体層１０が半導体層上に積層される。誘電体層は、有機材料又は無機材料のどちらでもよい。例えば、絶縁層１４と同じ種類の溶液法適用可能有機材料を用いてもよい。
最後に、ステップ７において、ゲート電極１２が誘電体層１０上に積層される。ゲート１２は、当該分野で周知の簡単なパターニング技術を用いて印刷法又は成膜法によって形成することができる。
絶縁層１４は、ディスプレイ（例えば、アクティブマトリックス型有機発光ディスプレイ）のような素子において下部メタライゼーションと上部メタライゼーション間におけるリークを抑制することにも有用である。そのような素子において金属エッチング工程を行う際、コンタクトビア部分を保護するために、レジスト工程を行ってもよい。
図３ｂは、図３ａとは別の方法における図２の有機薄膜トランジスタを形成する工程を示す。
この場合、ソース及びドレイン材料をエッチングすることで、図２で示されるソース及びドレイン電極２、４を形成する。ステップ３において、ポジ型フォトレジスト絶縁材料の層１４がパターニング加工されたソース及びドレイン電極上に積層される。ステップ４において、このフォトレジストを、透明基板１を通じて露光することによりパターニング加工する。ソース及びドレイン電極２、４は、フォトレジストをパターニング加工する際のセルフアラインマスク（ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ ｍａｓｋ）として機能する。これにより、レジスト現像後にパターニング加工された層１４が残留する。
図４は、ビアコンタクト部分を保護する際の追加工程を示す。ステップ４ａにおいて、レジスト２２がビア２０内に形成され、ステップ４ｂにおいてソース／ドレイン材料２、４のエッチングが行われる。そして、図３を参照して上述したように、ステップ４ｃにおいて、トランジスタの残りの層が形成される。コンタクト材料２４をビア２０に形成して、コンタクトビア部分が形成される。
図５は、その中に有機半導体材料が印刷法によって形成されるウェルを、ボトムゲート型素子の誘電体層に形成する工程を示す。この場合、まず、ゲート電極１２及び厚い誘電体層１０（１〜５μｍ）を形成することによって基板が準備される。該誘電体層１０は、ポリマー又はＳｉＯ2のような無機材料で構成することができる。そして、ソース及びドレインコンタクト２、４が形成される（これはボトムゲート型、ボトムコンタクト型トランジスタ構造である）。
ステップ１において、ソース−ドレインコンタクト２、４をエッチングのセルフアラインマスクとして、誘電体層１０を制御された方法でエッチバックする。これは、誘電体層を突き抜けてエッチングしないように制御し得るのであれば、ドライエッチング技術又はウェットエッチング技術のどちらを用いてもよい。
チャネル領域における誘電体界面の物理的特性及び化学的特性は素子動作にとって重要になる可能性があるので、付加的なステップにおいて、エッチング工程によって引き起こされる誘電体表面のダメージを、例えば、露出した誘電体表面上に自己組織化単分子層１４を形成することによって、修復してもよい。
ステップ３に示される有機半導体層８を印刷法、好ましくはインクジェット印刷法で形成することによって、有機薄膜トランジスタが完成する。
図５のＯＴＦＴは、チャネル領域に設けられた誘電体材料の薄い領域とソース及びドレインの下に設けられた誘電体材料の厚い領域とを備える。これら誘電体材料の厚い領域によって、ゲート電極の周辺領域とソース及びドレインが分離され、ソース及びドレインに対する寄生容量及びゲートリークが最小限に抑えられる。誘電体材料の厚い領域はまたウェルを形成する役割もする。該ウェル内には、有機半導体材料が形成される。ウェルの深さが大きい場合、ソース−ドレイン間の伝導経路長は増大する。これは、有機半導体内の電荷担体は該誘電体に近いチャネルの部分において輸送される傾向があるためである。従って、電荷担体は、ソースから下に向かってウェルの底部に移動し、チャネル領域を通って上に向かってドレインへと移動する。ここで、深いウェルが必要な場合にソース−ドレイン間の伝導経路長を減少させるため、ウェルの側部をメタライゼーション処理してもよい。
以下では、本発明に係るＯＴＦＴを形成するために好適な材料及びプロセスが詳細に説明される。
基板
基板は剛性であってもよいし、可撓性であってもよい。剛性基板としては、ガラス又はシリコンから選択することができる。可撓性基板としては、薄いガラス又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリイミドのようなプラスチックが挙げられる。
基板は剛性であってもよいし、可撓性であってもよい。剛性基板としては、ガラス又はシリコンから選択することができる。可撓性基板としては、薄いガラス又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリイミドのようなプラスチックが挙げられる。
有機半導体材料としては、好適な溶媒の使用によって溶液法で形成可能なものが挙げられる。溶媒の例としては、トルエンやキシレンのような単又は多アルキルベンゼン、テトラリン、クロロホルムが挙げられる。好ましい溶液からの成膜法（溶液法）としては、スピンコーティング法、インクジェット印刷法が挙げられる。その他の溶液法としては、ディップコーティング法、ロール印刷法、スクリーン印刷法が挙げられる。溶液をノズルから供給する場合、印刷プロセスは、連続式でも非連続式でもよい。例えば、連続プロセスにおいては、有機半導体材料をノズルから細い帯状に連続的に供給し、一方、非連続プロセスにおいては、有機半導体材料をノズルから液滴として断続的に供給する。
有機半導体材料
好ましい有機半導体材料としては、任意に置換されたペンタセン等の低分子、ポリアリレーン、特に、ポリフルオレンやポリチオフェン等の任意に置換されたポリマー、又はオリゴマーが挙げられる。異なるタイプの材料（例えば、ポリマーと低分子との混合物）を混合してもよい。
好ましい有機半導体材料としては、任意に置換されたペンタセン等の低分子、ポリアリレーン、特に、ポリフルオレンやポリチオフェン等の任意に置換されたポリマー、又はオリゴマーが挙げられる。異なるタイプの材料（例えば、ポリマーと低分子との混合物）を混合してもよい。
ソース及びドレイン電極
ｐ−チャネルＯＴＦＴでは、ソース及びドレイン電極は、仕事関数の高い材料が好ましく、３．５ｅＶより大きい仕事関数を有する金属が好ましい。そのような金属としては、例えば、金、白金、パラジウム、モリブデン、タングステン、クロム等が挙げられる。仕事関数が４．５ｅＶ〜５．５ｅＶの範囲内である金属が一層好ましい。その他の好適な化合物、合金又は三酸化モリブデンや酸化インジウムスズ等の酸化物を用いてもよい。ソース及びドレイン電極は、当該分野で知られているように、熱蒸着を行い、標準的なフォトリソグラフィ技術及びリフトオフ技術を用いてパターニング加工することによって形成することができる。
ｐ−チャネルＯＴＦＴでは、ソース及びドレイン電極は、仕事関数の高い材料が好ましく、３．５ｅＶより大きい仕事関数を有する金属が好ましい。そのような金属としては、例えば、金、白金、パラジウム、モリブデン、タングステン、クロム等が挙げられる。仕事関数が４．５ｅＶ〜５．５ｅＶの範囲内である金属が一層好ましい。その他の好適な化合物、合金又は三酸化モリブデンや酸化インジウムスズ等の酸化物を用いてもよい。ソース及びドレイン電極は、当該分野で知られているように、熱蒸着を行い、標準的なフォトリソグラフィ技術及びリフトオフ技術を用いてパターニング加工することによって形成することができる。
又は、導電性ポリマーをソース及びドレイン電極として形成してもよい。当該分野では種々の導電性ポリマーが知られているが、上述の導電性ポリマーの例としては、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）が挙げられる。そのような導電性ポリマーは、例えば、上述したスピンコーティング法、インクジェット印刷法、又はその他の溶液法によって溶液から成膜される。
ｎ−チャネルＯＴＦＴでは、ソース及びドレイン電極としては、例えばカルシウムやバリウムのような３．５ｅＶ未満の仕事関数を有する金属や、又は金属化合物の薄膜、特にアルカリ金属又はアルカリ土類金属の酸化物又はフッ化物、例えばフッ化リチウム、フッ化バリウム、酸化バリウムの薄膜が挙げられる。又は、導電性ポリマーをソース及びドレイン電極として形成してもよい。
ソース及びドレイン電極は、製造の容易さを考慮して、同一の材料から形成されることが好ましい。当然のことながら、ソース及びドレイン電極は、電荷注入及び抽出をそれぞれ最適化するために、異なる材料で形成してもよい。
ソース電極−ドレイン電極間のチャネル長は５００μｍまでがよく、好ましくは２００μｍ未満、より好ましくは１００μｍ未満、最も好ましくは２０μｍ未満がよい。
ゲート電極
ゲート電極４は、広範囲に及ぶ導電性材料、例えば金属（例えば、金）や金属化合物（例えば、インジウム−スズ酸化物）等から選ぶことができる。又は、導電性ポリマーをゲート電極４として形成してもよい。そのような導電性ポリマーは、例えば、上述したスピンコーティング法、インクジェット印刷法、又はその他の溶液法によって溶液から成膜される。
ゲート電極４は、広範囲に及ぶ導電性材料、例えば金属（例えば、金）や金属化合物（例えば、インジウム−スズ酸化物）等から選ぶことができる。又は、導電性ポリマーをゲート電極４として形成してもよい。そのような導電性ポリマーは、例えば、上述したスピンコーティング法、インクジェット印刷法、又はその他の溶液法によって溶液から成膜される。
ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の厚さは、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定されるように典型的には５０ｎｍであるが、５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲にあればよい。
絶縁層
絶縁層は、高抵抗を有する絶縁材料から選択された誘電体材料で形成される。ＯＴＦＴにおいて実現可能な容量はｋに直接比例し、またドレイン電流ＩＤは容量に直接比例するので、ｋの値が高い材料が望まれるが、誘電体の誘電率ｋは、典型的にはおおよそ２〜３である。従って、低い動作電圧で高いドレイン電流を実現するため、ＯＴＦＴはチャネル領域内で薄い誘電体層を有することが好ましい。
絶縁層は、高抵抗を有する絶縁材料から選択された誘電体材料で形成される。ＯＴＦＴにおいて実現可能な容量はｋに直接比例し、またドレイン電流ＩＤは容量に直接比例するので、ｋの値が高い材料が望まれるが、誘電体の誘電率ｋは、典型的にはおおよそ２〜３である。従って、低い動作電圧で高いドレイン電流を実現するため、ＯＴＦＴはチャネル領域内で薄い誘電体層を有することが好ましい。
誘電体材料は、有機でも無機でもよい。好ましい無機材料としては、ＳｉＯ2、ＳｉＮｘ、スピンオングラス（ＳＯＧ）が挙げられる。好ましい有機材料は、一般的にはポリマーであり、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）やポリビニルピロリジン（ＰＶＰ）等の絶縁性ポリマー、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のアクリレート、又はダウコーニング社から入手可能なベンゾシクロブタン類（ＢＣＢｓ）等が挙げられる。絶縁層は、混合材料から形成してもよいし、また多層構造であってもよい。
誘電体材料は、当該分野で知られる熱蒸着法、真空蒸着又は積層法によって形成することができる。又は、例えば、上述したスピンコーティング法、インクジェット印刷法、又はその他の溶液法によって溶液から成膜することもできる。
誘電体材料を溶液により有機半導体上に形成する場合、該有機半導体は溶解してはならない。同様に、有機半導体を溶液により誘電体材料上に形成する場合、該誘電体材料は溶解してはならない。上述した溶解を回避する技術としては、直交溶媒（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｓｏｌｖｅｎｔ）の使用、すなわち下側に位置する層を溶解させない上側層形成用溶媒の使用や下側の層の架橋等がある。
絶縁層の厚さは２μｍ未満が好ましく、５００ｎｍ未満がより好まし０い。
その他の層
上述の素子構造には、他の層が含まれてもよい。例えば、結晶化度の向上、接触抵抗の抑制、表面特性の修復、及び接着性の向上を実現するため、必要に応じて、自己組織化単分子層（ＳＡＭ）をゲート、ソース又はドレイン電極、基板、絶縁層、有機半導体材料の上に形成してもよい。例えば、有機半導体の形態（特に、ポリマー配列及び結晶化度）を改善することによって、また特に誘電率ｋの高い誘電体表面に対して電荷捕獲を抑えることによって素子性能を改善するため、特に、チャネル領域内の誘電体表面には、結合部分（ｂｉｎｄｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ）と有機部分（ｏｒｇａｎｉｃ ｒｅｇｉｏｎ）とを備えた単分子層を設けてもよい。そのような単分子層材料の例としては、長いアルキル鎖を有するクロロシラン又はアルコキシシラン、例えば、オクタデシルトリクロロシランが挙げられる。
上述の素子構造には、他の層が含まれてもよい。例えば、結晶化度の向上、接触抵抗の抑制、表面特性の修復、及び接着性の向上を実現するため、必要に応じて、自己組織化単分子層（ＳＡＭ）をゲート、ソース又はドレイン電極、基板、絶縁層、有機半導体材料の上に形成してもよい。例えば、有機半導体の形態（特に、ポリマー配列及び結晶化度）を改善することによって、また特に誘電率ｋの高い誘電体表面に対して電荷捕獲を抑えることによって素子性能を改善するため、特に、チャネル領域内の誘電体表面には、結合部分（ｂｉｎｄｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ）と有機部分（ｏｒｇａｎｉｃ ｒｅｇｉｏｎ）とを備えた単分子層を設けてもよい。そのような単分子層材料の例としては、長いアルキル鎖を有するクロロシラン又はアルコキシシラン、例えば、オクタデシルトリクロロシランが挙げられる。
ＯＴＦＴの応用例
本発明の実施形態に係るＯＴＦＴには幅広い応用範囲がある。応用例の１つには、光学素子、好ましくは有機光学素子における画素の駆動がある。そのような光学素子の例として、光応答性素子、特にフォト検出素子、発光素子、特に有機発光素子が挙げられる。ＯＴＦＴは、アクティブマトリックス型有機発光素子における使用に対して、例えば、ディスプレイ用途における使用に対して特に適している。
本発明の実施形態に係るＯＴＦＴには幅広い応用範囲がある。応用例の１つには、光学素子、好ましくは有機光学素子における画素の駆動がある。そのような光学素子の例として、光応答性素子、特にフォト検出素子、発光素子、特に有機発光素子が挙げられる。ＯＴＦＴは、アクティブマトリックス型有機発光素子における使用に対して、例えば、ディスプレイ用途における使用に対して特に適している。
図６は、本発明に係る有機発光素子（ＯＬＥＤ）画素を示す。ＯＴＦＴは、上述の層２〜１４を有する。ＯＬＥＤは、アノード５１、カソード５３、及びアノードとカソードとの間に設けられたエレクトロルミネッセンス層５２を有する。電荷輸送層、電荷注入層、電荷ブロック層等の他の層が、アノードとカソードとの間に設けられてもよい。ＯＴＦＴと同様に、ＯＬＥＤの活性領域は、絶縁性のフォトレジストの層５４をパターニング加工することによって形成されたウェルによって規定される。ＯＬＥＤは、ＯＴＦＴ上に形成される平坦化層５５（パッシベーション膜としても知られている）上に構成される。パッシベーション膜を形成するために使用される材料の例としては、ＢＣＢ類やパリレン類がある。ＯＬＥＤのアノード５１は、パッシベーション膜５５及び絶縁層１４を貫通する伝導ビア５６を介して有機薄膜トランジスタのドレイン電極と電気的に接続される。
当然ながら、ＯＴＦＴと光学活性画素領域（例えば、発光画素領域又は光検知画素領域）とを有する画素回路はその他の要素を備えてもよい。特に、図６のＯＬＥＤ画素回路は通常、図示されている駆動トランジスタの他に、少なくとも１つのトランジスタと、少なくとも１つのコンデンサとを備える。
好適な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能なことは当業者であれば理解できよう。
Claims (24)
- 基板と、
チャネルを規定するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上に設けられる絶縁層と、
前記チャネルにまたがって設けられる有機半導体層と、
誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられるゲート電極と、
を備え、
前記誘電体層を形成するために用いられる材料は、前記絶縁層を形成するために用いられる材料と同じであることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。 - 請求項１記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は前記基板上に設けられ、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上に設けられた前記絶縁層はウェルを規定し、前記有機半導体層は前記ソース電極と前記ドレイン電極との間において前記ウェル内に設けられることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項１又は２記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記絶縁層は有機材料であることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記絶縁層は溶液処理形成可能な材料であることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記絶縁層は有機フォトレジストであることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項５記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記有機フォトレジストはフッ素化された有機フォトレジストであることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記有機半導体層の材料は溶液処理形成可能であることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項７記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記有機半導体層の材料はポリマー又はデンドリマーであることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項８記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記有機半導体層の材料は共役化されていることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項１〜９のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記有機半導体層は、ドーパントを備えることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記誘電体層の材料は有機物であることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタにおいて、前記誘電体層の材料は、溶液処理形成可能であることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタは、前記絶縁層内にコンタクトビア部分をさらに備えることを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
- 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタを備えた有機発光素子。
- 基板上にソース及びドレイン材料を設ける工程と、
前記ソース及びドレイン材料の上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層をパターニング加工してウェルを形成する工程と、
前記ウェル内の前記ソース及びドレイン材料をエッチングしてソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記ウェル内に有機半導体材料を設ける工程と、
前記有機半導体材料上に誘電体材料を設ける工程と、
前記誘電体材料上にゲート電極を形成する工程と、
を備え、
前記誘電体材料を形成するために用いられる材料を、前記絶縁層を形成するために用いられる材料と同じとすることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 請求項１５記載の有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記絶縁層は、パターニング加工された形態で直接形成されることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 請求項１５記載の有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記絶縁層は、パターニング加工されていない形態で形成され、その後、パターニング加工されることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記ソース及びドレイン材料をエッチングした後、前記絶縁層に対して等方性エッチングを行って、前記絶縁層を薄くし且つまた前記ウェル内の前記ソース電極及び前記ドレイン電極の端部から絶縁層材料を除去することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法において、ビアを前記絶縁層に形成し、前記ソース及びドレイン材料のエッチング前に、レジスト材料を前記ビア内に設け、前記ソース及びドレイン材料をエッチングした後に前記レジスト材料を除去し、導電性材料を前記ビア内に設けてコンタクトビア部分を形成することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 透明基板上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層をパターニング加工してウェルを形成する工程と、
前記ウェル内に有機半導体材料を設ける工程と、
前記有機半導体材料上に誘電体材料を設ける工程と、
前記誘電体材料上にゲート電極を形成する工程と、
を備え、
前記誘電体材料を形成するために用いられる材料を、前記絶縁層を形成するために用いられる材料と同じとすることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 請求項２０記載の有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記絶縁層をパターニング加工されていない形態で形成し、その後、前記透明基板を通じて前記絶縁層を露光することによってパターニング加工を行うことを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 互いの間にチャネルが形成されるソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極と、前記ゲート電極と前記ソース電極及び前記ドレイン電極との間に設けられた誘電体層と、前記チャネル内に設けられた有機半導体層とを備えた有機薄膜トランジスタの製造方法であって、
前記有機半導体層は、絶縁層内に規定されたウェル内に印刷法で形成され、
前記誘電体層を形成するために用いられる材料を、前記絶縁層を形成するために用いられる材料と同じとし、
前記絶縁層を前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上に形成し、その後、前記有機半導体層を印刷法で形成し、前記誘電体層を形成し、前記ゲート電極を形成することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。 - 請求項２２記載の有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記有機半導体層は、インクジェット印刷法で形成されることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
- 請求項２２又は２３記載の有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記ウェルは、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネルの一部又は全てを囲繞することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
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