JP5651961B2

JP5651961B2 - 薄膜トランジスタおよびその製造方法、ならびに電子機器

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Publication number: JP5651961B2
Application number: JP2010022161A
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Inventors: 巖八木
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Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2015-01-14
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Description

本発明は、有機半導体層を備えた薄膜トランジスタおよびその製造方法、ならびに薄膜トランジスタを用いた電子機器に関する。

近年、表示装置に代表される多くの電子機器にアクティブマトリクス駆動方式が導入されており、そのスイッチング（画素選択）用の素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が用いられている。

図９は、従来のチャネルエッチ型のＴＦＴの断面構成を表している。このＴＦＴは、ゲート電極１０１およびゲート絶縁層１０２の上に半導体層１０３が形成され、その半導体層１０３にソース電極１０４およびドレイン電極１０５が接続されたものである。ソース電極１０４およびドレイン電極１０５は、互いに離間されると共にそれぞれ半導体層１０３の上側に重なるように配置されている。

図９に示した領域Ｒ１〜Ｒ３は、半導体層１０３とソース電極１０４およびドレイン電極１０５との位置関係により決定される領域を表している。半導体層１０３がソース電極１０４と重なる領域Ｒ１、半導体層１０３がドレイン電極１０５と重なる領域Ｒ２である。また、領域Ｒ１，Ｒ２の間に位置し、半導体層１０３がソース電極１０４およびドレイン電極１０５のいずれとも重ならない領域Ｒ３である。この領域Ｒ１〜Ｒ３の意味するところは、以降においても同様である。

チャネル層である半導体層１０３は、下部半導体層１０３Ａの上に上部半導体層１０３Ｂが形成された積層構造を有している。下部半導体層１０３Ａは、非晶質ケイ素により形成されていると共に、領域Ｒ１から領域Ｒ３を経由して領域Ｒ２まで延在している。上部半導体層１０３Ｂは、ｎ型ドープされた非晶質ケイ素により形成されていると共に、領域Ｒ１，Ｒ２に互いに離間されるように配置されている。

このような半導体層１０３を形成する際には、まず、領域Ｒ１から領域Ｒ２まで延在するように下部半導体層１０３Ａおよび上部半導体層１０３Ｂを形成したのち、ソース電極１０４およびドレイン電極１０５を形成する。こののち、ソース電極１０４およびドレイン電極１０５をマスクとして上部半導体層１０３Ｂを選択的にエッチングする。これにより、領域Ｒ３において上部半導体層１０３Ｂの一部が除去されるため、その上部半導体層１０３Ｂが領域Ｒ１，Ｒ２だけに残存する。

このチャネルエッチ型のＴＦＴでは、ｎ型ドープされている上部半導体層１０３Ｂの電気抵抗がｎ型ドープされていない下部半導体層１０３Ａの電気抵抗よりも低くなる。これにより、ソース電極１０４およびドレイン電極１０５と上部半導体層１０３Ｂとの間の接触抵抗が低下するため、ソース電極１０４およびドレイン電極１０５と半導体層１０３との間において電荷が出入りしやすくなる。

ところで、最近では、チャネル層として有機半導体層を用いた有機ＴＦＴが注目されている。有機ＴＦＴでは、チャネル層を塗布形成できるため、低コスト化を図ることができる。また、蒸着法などよりも低い温度でチャネル層を形成できるため、低耐熱性でフレキシブルなプラスチックフィルムなどに有機ＴＦＴを実装できる。

図１０は、従来の有機ＴＦＴの断面構成を表している。この有機ＴＦＴは、半導体層１０３に代えて有機半導体層２０３を備えていることを除き、図９に示したＴＦＴと同様の構成を有している。具体的には、ゲート電極２０１およびゲート絶縁層２０２の上に有機半導体層２０３が形成されており、その有機半導体層２０３にソース電極２０４およびドレイン電極２０５が接続されている。この有機半導体層２０３は、単層構造を有しており、領域Ｒ１から領域Ｒ２まで延在している。

この有機ＴＦＴの構造としては、従来のＴＦＴと同様に、トップコンタクト型、ボトムコンタクト型、トップゲート型またはボトムゲート型などの各種構造が検討されている。中でも、ソース電極およびドレイン電極が有機半導体層の上側に重なるように配置されるトップコンタクト型が一般的である（例えば、特許文献１参照。）。

国際公開第２００７／０５５１１９号パンフレット

有機ＴＦＴの利点を活かして電子機器の薄型化およびフレキシブル化を図るために、その有機ＴＦＴの性能、特に移動度およびオンオフ比を改善することが強く望まれている。

そこで、図９に示したチャネルエッチ型の構造を有機ＴＦＴに適用することが検討されているが、その試みは、チャネル層が有機半導体であることに起因して困難な状況にある。なぜなら、有機半導体を除去するためには、一般的に、有機物を燃焼させる酸素プラズマエッチング法が用いられるが、そのエッチング法では、有機半導体を選択的に（必要な部分だけを）エッチングすることが困難だからである。この場合には、有機半導体を積層したのち、上層だけをエッチングしようとしても、少なからず下層までエッチングされてしまう。これにより、下層の厚さが減少すると共に、その特性がエッチング時に受けたダメージに起因して劣化してしまう。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、性能向上を図ることが可能な薄膜トランジスタおよびその製造方法、ならびに電子機器を提供することにある。

本発明の薄膜トランジスタは、ゲート電極と、そのゲート電極の上に形成されたゲート絶縁層と、そのゲート絶縁層の上に形成された有機半導体層と、その有機半導体層の上に互いに離間されると共にそれぞれ有機半導体層と重なるように形成されたソース電極およびドレイン電極とを備えている。この有機半導体層は、ゲート絶縁層の上に形成された下部有機半導体層と、その下部有機半導体層の上に形成されると共に下部有機半導体層よりも高い溶解性および導電性を有する上部有機半導体層とを含んでいる。下部有機半導体層は、ソース電極と重なる領域からドレイン電極と重なる領域まで延在している。上部有機半導体層は、ソース電極およびドレイン電極のそれぞれと重なる領域に互いに離間されるように配置されていると共に、下部有機半導体層の形成材料に溶解性を付与するための置換基が導入された材料を含んでいる。また、本発明の電子機器は、上記した本発明の薄膜トランジスタを備えている。

本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、以下の工程を含んでいる。ゲート電極を形成する。ゲートの電極の上にゲート絶縁層を形成する。ゲート絶縁層の上に下部有機半導体層を形成する。下部有機半導体層の上に、その下部有機半導体層の形成材料に溶解性を付与するための置換基が導入された材料を用いて、下部有機半導体層よりも高い溶解性および導電性を有する上部有機半導体層を形成する。上部有機半導体層の上に互いに離間されると共にそれぞれ上部有機半導体層と重なるようにソース電極およびドレイン電極を形成する。ソース電極およびドレイン電極をマスクとして上部有機半導体層を選択的に溶解させる。

本発明の薄膜トランジスタおよびその製造方法、ならびに電子機器によれば、有機半導体層は、ゲート絶縁層の上に形成された下部有機半導体層と、その下部有機半導体層の上に形成された上部有機半導体層とを含んでいる。この上部有機半導体層は、下部有機半導体層の形成材料に溶解性を付与するための置換基が導入された材料を含んでいると共に、その下部有機半導体層よりも高い溶解性および導電性を有している。この場合には、酸素プラズマエッチング法を用いなくても、有機溶媒などの溶剤を用いた単純な溶解処理により上部有機半導体層が選択的に除去される。これにより、ソース電極と重なる領域からドレイン電極と重なる領域まで延在するように下部有機半導体層が形成されると共に、ソース電極と重なる領域およびドレイン電極と重なる領域に互いに離間されるように上部有機半導体層が形成される。このため、有機半導体層を備えたチャネルエッチ型の薄膜トランジスタが容易かつ安定に製造される。よって、移動度およびオンオフ比が向上するため、性能向上を図ることができる。

本発明の一実施形態における薄膜トランジスタの構成を表す断面図である。薄膜トランジスタの製造方法を説明するための断面図である。図２に続く工程を説明するための断面図である。薄膜トランジスタの適用例である液晶表示装置の主要部の構成を表す断面図である。図４に示した液晶表示装置の回路構成を表す図である。薄膜トランジスタの適用例である有機エレクトロルミネセンス（ＥＬ）表示装置の主要部の構成を表す断面図である。図６に示した有機ＥＬ表示装置の回路構成を表す図である。薄膜トランジスタの適用例である電子ペーパー表示装置の主要部の構成を表す断面図である。従来の薄膜トランジスタの構成を表す断面図である。従来の有機薄膜トランジスタの構成を表す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。

１．薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）およびその製造方法
２．薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）の適用例（電子機器）
２−１．液晶表示装置
２−２．有機ＥＬ表示装置
２−３．電子ペーパー表示装置

＜１．有機ＴＦＴおよびその製造方法＞
［薄膜トランジスタの全体構成］
図１は、本発明の一実施形態における薄膜トランジスタである有機ＴＦＴの断面構成を表している。

有機ＴＦＴは、有機半導体層３がゲート絶縁層２を介してゲート電極１に対向配置され、その有機半導体層３にソース電極４およびドレイン電極５が接続されたものである。ソース電極４およびドレイン電極５は、互いに離間（分離）されていると共に、それぞれ有機半導体層３と重なるように配置されている。

ここで説明する有機ＴＦＴは、ゲート電極１が有機半導体層３よりも下側に位置すると共にソース電極４およびドレイン電極５が有機半導体層３の上側に重なっているトップコンタクト・ボトムゲート型である。

ゲート電極１は、例えば、金属材料、無機導電性材料、有機導電性材料または炭素材料のいずれか１種類または２種類以上により形成されている。金属材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）またはそれらを含む合金などである。無機導電性材料は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）などである。有機導電性材料は、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）またはポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）などである。炭素材料は、例えば、グラファイトなどである。なお、ゲート電極１は、上記した各種材料の層が２層以上積層されたものでもよく、そのように積層されていてもよいことは、後述するゲート絶縁層２、有機半導体層３、ソース電極４およびドレイン電極５についても同様である。

ゲート絶縁層２は、例えば、無機絶縁性材料または有機絶縁性材料のいずれか１種類または２種類以上により形成されている。無機材料は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ_ｘ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_ｘ）またはチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などである。有機絶縁性材料は、例えば、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリイミド、ポリメタクリル酸アクリレート、感光性ポリイミド、感光性ノボラック樹脂またはポリパラキシリレンなどである。

有機半導体層３は、下部有機半導体層３Ａの上に上部有機半導体層３Ｂが形成された積層構造を有している。なお、下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂは、それぞれ単層でもよいし多層でもよい。

下部有機半導体層３Ａは、ソース電極４と重なる領域Ｒ１からドレイン電極５と重なる領域Ｒ２まで延在しており、有機半導体材料のいずれか１種類または２種類以上により形成されている。このような有機半導体材料は、例えば、アセンまたはその誘導体などである。アセンは、例えば、ナフタセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、ジベンゾペンタセン、テトラベンゾペンタセン、ピレン、ジベンゾピレン、クリセン、ペリレン、コロネン、テリレン、オバレン、クオテリレンまたはサーカムアントラセンなどである。アセンの誘導体は、例えば、炭素（Ｃ）の一部が窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）または酸素（Ｏ）などの他の元素により置換された材料、あるいは、一部の基がカルボニル基などの官能基により置換された材料である。この誘導体の具体例としては、トリフェノジオキサジン、トリフェノジチアジンまたはヘキサセン−６，１５−キノンなどが挙げられる。この他、有機半導体材料は、例えば、アントラジチオフェン、ジナフト［２，３−ｂ：２’，３’−ｆ］チエノ［３，２−ｂ］チエノフェン、２，９−ジフェニル−ペリ−キサンテノキサンテンまたは２，９−ジナフチル−ペリ−キサンテノキサンテンなどのペリ−キサンテノキサンテン化合物、あるいは銅フタロシアニンなどでもよい。

上部有機半導体層３Ｂは、ソース電極４と重なる領域Ｒ１およびドレイン電極５と重なる領域Ｒ２に互いに離間されるように配置されており、下部有機半導体層３Ａよりも高い溶解性および導電性を有している。

上記した「溶解性」とは、有機溶媒などの溶剤に対する溶解度である。また、「高い溶解性」とは、下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂを溶剤と接触させた場合に、上部有機半導体層３Ｂが溶解（除去）されるのに対して下部有機半導体層３Ａが溶解されない（そのまま残存する）ような選択比が得られる溶解度である。下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂの形成材料（有機半導体材料の組み合わせ）は、上記した溶解度に関する選択比が得られるように選択される。

この上部有機半導体層３Ｂは、例えば、低抵抗を得るためにドーピングされた有機半導体材料のいずれか１種類または２種類以上により形成されている。ドーピング前の有機半導体材料（主材料）は、例えば、α−クウォーターチオフェン、ポリ−（β−ヘキシルチオフェン）またはポリ（２，５−ビス（３−ドデシル−５−（３−ドデシルチオフェン−２−イル）チオフェン−２−イル）チアゾロ［５，４−ｄ］チアソールなどである。ドーピング材料としては、例えば、ｐ型ドーピング材料であるテトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）またはテトラフルオロＴＣＮＱ（Ｆ４−ＴＣＮＱ）などの電荷移動錯体が挙げられる。上部有機半導体層３Ｂのイオン化ポテンシャルは、下部有機半導体層３Ａのイオン化ポテンシャルよりも小さいことが好ましい。有機半導体層３の内部を電荷が移動しやすくなるからである。

中でも、上部有機半導体層３Ｂの形成材料（主材料）は、下部有機半導体層３Ａの形成材料に溶解性を付与するための置換基が導入された材料（下部有機半導体層３Ａの形成材料の誘導体）であることが好ましい。置換基を有しない材料の溶解度が十分に低ければ、置換基を有する材料と置換基を有しない材料との間における溶解度の差異が大きくなるため、十分な選択比が得られるからである。

一例を挙げると、下部有機半導体層３Ａの形成材料は、化１で表されるペンタセンであると共に、上部有機半導体層３Ｂの形成材料（主材料）は、化２で表されるペンタセンの誘導体である。化２に示した「ｉ−Ｐｒ」は、イソプロピル基を表している。この誘導体は、ペンタセンに側鎖として２つのトリイソプロピルシリルエチニル（ＴＩＰＳ）基が導入された材料である。なお、ＴＩＰＳ基の導入位置および数は、必ずしも化２に示した場合に限られず、任意に変更可能である。

ここで、上記した溶剤としては、例えば、ジクロロメタン、テトラリンまたはキシレンなどが挙げられる。この場合には、溶剤に対するペンタセンの溶解度はほぼゼロであり、ペンタセンはほとんど溶解しないが、その溶剤に対する誘導体の溶解度はペンタセンよりも飛躍的に高くなり、誘導体は容易に溶解する。これらのペンタセンと誘導体との組み合わせは、その誘導体が可溶性でありながら、いずれも真空蒸着法などを用いて形成可能である点においても好ましい。

ソース電極４およびドレイン電極５は、例えば、上記したゲート電極１と同様の材料により形成されており、有機半導体層３にオーミック接触していることが好ましい。

なお、有機ＴＦＴは、上記以外の他の構成要素を備えていてもよい。このような他の構成要素としては、例えば、有機ＴＦＴを支持する基体などが挙げられる。この基体は、例えば、ガラス、プラスチック材料または金属材料などの基板でもよいし、プラスチック材料または金属材料などのフィルムでもよいし、紙（一般紙）でもよい。プラスチック材料は、例えば、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、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）またはポリエチルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などである。金属材料は、例えば、アルミニウム、ニッケルまたはステンレスなどである。なお、基体の表面には、例えば、密着性を確保するためのバッファ層またはガス放出を防止するためのガスバリア層などの各種層が設けられていてもよい。

［有機ＴＦＴの製造方法］
この有機ＴＦＴは、以下の手順により製造される。図２および図３は、有機ＴＦＴの製造方法を説明するためのものであり、図１に対応する断面構成を示している。以下では、一連の構成要素の形成材料については既に説明したので、それらの説明を随時省略する。なお、ここで説明する有機ＴＦＴの製造方法はあくまで一例であり、各構成要素の形成材料および形成方法などは適宜変更可能である。

最初に、図２に示したように、ゲート電極１を形成する。この場合には、例えば、金属材料層を形成したのち、その金属材料層の上にレジストパターンなどのマスク（図示せず）を形成する。続いて、マスクを用いて金属材料層をエッチングしたのち、アッシング法またはエッチング法などを用いて使用済みのマスクを除去する。金属材料層の形成方法は、例えば、真空成膜法、塗布法または鍍金法などである。真空成膜法は、例えば、真空蒸着法、フラッシュ蒸着法、スパッタリング法、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、化学的気相成長法（ＣＶＤ）、パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）またはアーク放電法などである。塗布法は、例えば、スピンコート法、スリットコート法、バーコート法またはスプレーコート法などである。鍍金法は、例えば、電解鍍金法または無電解鍍金法などである。レジストパターンを形成する場合には、例えば、フォトレジストを塗布してフォトレジスト膜を形成したのち、フォトリソグラフィ法、レーザ描画法、電子線描画法またはＸ線描画法などを用いてフォトレジスト膜をパターニングする。ただし、レジスト転写法などを用いてレジストパターンを形成してもよい。金属材料層のエッチング方法は、例えば、ドライエッチング法、またはエッチャント溶液を用いたウェットエチング法であり、そのドライエッチング法は、例えば、イオンミリングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などである。マスクを除去するためのエッチング方法も、同様である。なお、ゲート電極１の形成方法は、例えば、インクジェット法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法またはグラビアオフセット印刷法などの印刷法でもよい。また、レーザアブレーション法、マスク蒸着法またはレーザ転写法などを用いて、マスクとしてレジストパターンの代わりに金属パターンを形成してもよい。もちろん、ゲート電極１を形成するために、金属材料層の代わりに無機導電性材料層、有機導電性材料層または炭素材料層などを形成してもよい。

続いて、ゲート電極１を覆うようにゲート絶縁層２を形成する。このゲート絶縁層２の形成手順は、例えば、その形成材料により異なる。無機絶縁性材料を用いる場合の形成手順は、例えば、塗布法がゾル・ゲル法などでもよいことを除き、ゲート電極１を形成した場合と同様である。有機絶縁性材料を用いる場合の形成手順は、例えば、フォトリソグラフィ法などを用いて感光性材料をパターニングしてもよいことを除き、ゲート電極１を形成した場合と同様である。

続いて、ゲート絶縁層２の上に、化１に示したペンタセンなどを用いて下部有機半導体層３Ａをパターン形成する。この場合には、ゲート電極１を形成した場合と同様の手順を用いる。具体的には、ゲート絶縁層２を覆うように下部有機半導体層３Ａを形成したのち、フォトリソグラフィ法などを用いて下部有機半導体層３Ａをエッチングする。

続いて、下部有機半導体層３Ａの上に、化２に示したペンタセンの誘導体などとドーピング材料とを用いて上部有機半導体層３Ｂをパターン形成する。この場合には、下部有機半導体層３Ａを形成した場合と同様の手順および形成方法を用いると共に、領域Ｒ１から領域Ｒ２まで延在するようにする。

なお、下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂを個別にパターン形成する代わりに、両者を一括してパターン形成してもよい。この場合には、ゲート絶縁層２の表面を覆うように下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂを積層形成したのち、フォトリソグラフィ法またはレーザアブレーション法などを用いて下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂを一括してパターニングすればよい。

下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂを形成する場合には、例えば、いずれにおいても真空蒸着法またはスパッタリング法などの真空成膜法を用いることが好ましい。真空環境中において下部有機半導体層３Ａの上に上部有機半導体層３Ｂが積層されるため、両者の界面に異物が混入しにくいと共にダメージが及びにくいからである。この場合には、主材料をドーピング材料と一緒に共蒸着すればよい。

続いて、下部有機半導体層３Ａ、上部有機半導体層３Ｂおよびその周辺のゲート絶縁層２を覆うように電極層６を形成する。この電極層６は、ソース電極４およびドレイン電極５を形成するための準備層であり、その形成材料としては、ソース電極４およびドレイン電極５と同様の材料を用いる。電極層６の形成方法は、例えば、ゲート電極１を形成した場合と同様であり、特に、下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂにダメージを与えにくい方法が好ましい。

続いて、電極層６を選択的にエッチングして、図３に示したように、ソース電極４およびドレイン電極５を形成する。この場合には、ゲート電極１を形成した場合と同様の手順を用いる。具体的には、電極層６の上にレジストパターンなどを形成したのち、それをマスクとして電極層６をエッチングする。特に、電極層６のエッチング方法は、例えば、下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂにダメージを与えにくいウェットエッチング法などが好ましい。この場合には、エッチャント溶液に対する上部有機半導体層３Ｂの溶解度が無視できる程度に小さくなるようにする。

最後に、ソース電極４およびドレイン電極５をマスクとして、溶剤を用いて上部有機半導体層３Ｂを選択的に溶解させる。この溶剤の種類は、下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂの形成材料（両者の溶解度に関する選択比）に応じて、任意に選択可能である。これにより、図１に示したように、上部有機半導体層３Ｂの一部（領域Ｒ３に位置する部分）が除去され、その上部有機半導体層３Ｂが領域Ｒ１，Ｒ２だけに残存する。この場合には、上部有機半導体層３Ｂが溶解された箇所に下部有機半導体層３Ａが露出しても、その下部有機半導体層３Ａは選択比に応じてほとんど溶解されない。これにより、有機ＴＦＴが完成する。

［有機ＴＦＴおよびその製造方法に関する作用および効果］
上記した有機ＴＦＴおよびその製造方法によれば、上部有機半導体層３Ｂが下部有機半導体層３Ａよりも高い溶解性および導電性を有している。この場合には、酸素プラズマエッチング法を用いなくても、有機溶媒などの溶剤を用いた単純な溶解処理により上部有機半導体層３Ｂが選択的に除去される。しかも、十分な選択比が得られるように下部有機半導体層３Ａおよび上部有機半導体層３Ｂの溶解度を設定すれば、上部有機半導体層３Ｂだけが溶解されるのに対して、下部有機半導体層３Ａはほとんど溶解されない。これにより、領域Ｒ１から領域Ｒ２まで延在するように下部有機半導体層３Ａが形成されると共に、領域Ｒ１，Ｒ２に互いに離間されるように上部有機半導体層３Ｂが形成されるため、有機半導体層３を備えたチャネルエッチ型の有機ＴＦＴが容易かつ安定に製造される。よって、移動度およびオンオフ比が向上するため、性能向上を図ることができる。

＜２．有機ＴＦＴの適用例（電子機器）＞
次に、上記した有機ＴＦＴの適用例について説明する。この有機ＴＦＴは、例えば、以下で順に説明するように、いくつかの電子機器に適用可能である。

＜２−１．液晶表示装置＞
有機ＴＦＴは、例えば、液晶表示装置に適用される。図４および図５は、それぞれ液晶表示装置の主要部の断面構成および回路構成を表している。なお、以下で説明する装置構成（図４）および回路構成（図５）はあくまで一例であり、それらの構成は適宜変更可能である。

ここで説明する液晶表示装置は、例えば、有機ＴＦＴを用いたアクティブマトリクス駆動方式の透過型液晶ディスプレイであり、その有機ＴＦＴは、スイッチング（画素選択）用の素子として用いられる。この液晶表示装置は、図４に示したように、駆動基板２０と対向基板３０との間に液晶層４１が封入されたものである。

駆動基板２０は、例えば、支持基板２１の一面に有機ＴＦＴ２２、平坦化絶縁層２３および画素電極２４がこの順に形成されていると共に、複数の有機ＴＦＴ２２および画素電極２４がマトリクス状に配置されたものである。ただし、１画素内に含まれる有機ＴＦＴ２２の数は、１つでもよいし、２つ以上でもよい。図４および図５では、例えば、１画素内に１つの有機ＴＦＴ２２が含まれる場合を示している。

支持基板２１は、例えば、ガラスまたはプラスチック材料などの透過性材料により形成されており、有機ＴＦＴ２２は、上記した有機ＴＦＴと同様の構成を有している。プラスチック材料の種類は、例えば、有機ＴＦＴについて説明した場合と同様であり、そのことは、以下で随時説明する場合においても同様である。平坦化絶縁層２３は、例えば、ポリイミドなどの絶縁性樹脂材料により形成されており、画素電極２４は、例えば、ＩＴＯなどの透過性導電性材料により形成されている。なお、画素電極２４は、平坦化絶縁層２３に設けられたコンタクトホール（図示せず）を通じて有機ＴＦＴ２２に接続されている。

対向基板３０は、例えば、支持基板３１の一面に対向電極３２が全面形成されたものである。支持基板３１は、例えば、ガラスまたはプラスチック材料などの透過性材料により形成されており、対向電極３２は、例えば、ＩＴＯなどの導電性材料により形成されている。

駆動基板２０および対向基板３０は、液晶層４１を挟んで画素電極２４と対向電極３２とが対向するように配置されていると共に、シール材４０により貼り合わされている。液晶層４１に含まれる液晶分子の種類は、任意に選択可能である。

この他、液晶表示装置は、例えば、位相差板、偏光板、配向膜およびバックライトユニットなどの他の構成要素（いずれも図示せず）を備えていてもよい。

液晶表示装置を駆動させるための回路は、例えば、図５に示したように、有機ＴＦＴ２２および液晶表示素子４４（画素電極２４、対向電極３２および液晶層４１を含む素子部）と共に、キャパシタ４５を含んでいる。この回路では、行方向に複数の信号線４２が配列されていると共に列方向に複数の走査線４３が配列されており、それらが交差する位置に有機ＴＦＴ２２、液晶表示素子４４およびキャパシタ４５が配置されている。有機ＴＦＴ２２におけるソース電極、ゲート電極およびドレイン電極の接続先は、図５に示した態様に限らず、任意に設定可能である。信号線４２および走査線４３は、それぞれ図示しない信号線駆動回路（データドライバ）および走査線駆動回路（走査ドライバ）に接続されている。

この液晶表示装置では、有機ＴＦＴ２２により液晶表示素子４４が選択され、その画素電極２４と対向電極３２との間に電界が印加されると、その電界強度に応じて液晶層４１における液晶分子の配向状態が変化する。これにより、液晶分子の配向状態に応じて光の透過量（透過率）が制御されるため、階調画像が表示される。

この液晶表示装置によれば、有機ＴＦＴ２２が上記した有機ＴＦＴと同様の構成を有しているので、その移動度およびオンオフ比が向上する。よって、表示性能を向上させることができる。なお、液晶表示装置は、透過型に限らずに反射型でもよい。

＜２−２．有機ＥＬ表示装置＞
有機ＴＦＴは、例えば、有機ＥＬ表示装置に適用される。図６および図７は、それぞれ有機ＥＬ表示装置の主要部の断面構成および回路構成を表している。なお、以下で説明する装置構成（図６）および回路構成（図７）はあくまで一例であり、それらの構成は適宜変更可能である。

ここで説明する有機ＥＬ表示装置は、例えば、有機ＴＦＴをスイッチング用の素子として用いたアクティブマトリクス駆動方式の有機ＥＬディスプレイである。この有機ＥＬ表示装置は、駆動基板５０と対向基板６０とが接着層７０を介して貼り合わされたものであり、例えば、対向基板６０を経由して光を放出するトップエミッション型である。

駆動基板５０は、例えば、支持基板５１の一面に有機ＴＦＴ５２、保護層５３、平坦化絶縁層５４、画素分離絶縁層５５、画素電極５６、有機層５７、対向電極５８および保護層５９がこの順に形成されたものである。複数の有機ＴＦＴ５２、画素電極５６および有機層５７は、マトリクス状に配置されている。ただし、１画素内に含まれる有機ＴＦＴ５２の数は、１つでもよいし、２つ以上でもよい。図６および図７では、例えば、１画素内に２つの有機ＴＦＴ５２（選択用ＴＦＴ５２Ａおよび駆動用ＴＦＴ５２Ｂ）が含まれる場合を示している。

支持基板５１は、例えば、ガラスまたはプラスチック材料などにより形成されている。トップエミッション型では対向基板６０から光が取り出されるため、支持基板５１は、透過性材料または非透過性材料のいずれにより形成されていてもよい。有機ＴＦＴ５２は、上記した有機ＴＦＴと同様の構成を有しており、保護層５３は、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）またはポリパラキシリレンなどの高分子材料により形成されている。平坦化絶縁層５４および画素分離絶縁層５５は、例えば、ポリイミドなどの絶縁性樹脂材料により形成されている。この画素分離絶縁層５５は、例えば、形成工程を簡略化すると共に所望の形状に成形可能にするために、光パターニングまたはリフローなどにより成形可能な感光性樹脂材料により形成されていることが好ましい。なお、保護層５３により十分な平坦性が得られていれば、平坦化絶縁層５４は省略されてもよい。

画素電極５６は、例えば、アルミニウム、銀、チタンまたはクロムなどの反射性材料により形成されており、対向電極５８は、例えば、ＩＴＯまたはＩＺＯなどの透過性導電性材料により形成されている。ただし、カルシウム（Ｃａ）などの透過性の金属材料またはその合金や、ＰＥＤＯＴなどの透過性の有機導電性材料により形成されていてもよい。有機層５７は、赤色、緑色または青色などの光を発生させる発光層を含んでおり、必要に応じて正孔輸送層および電子輸送層などを含む積層構造を有していてもよい。発光層の形成材料は、発生させる光の色に応じて任意に選択可能である。画素電極５６および有機層５７は、画素分離絶縁層５５により離間されながらマトリクス状に配置されているのに対して、対向電極５８は、有機層５７を介して画素電極５６に対向しながら連続的に延在している。保護層５９は、例えば、酸化珪素（ＳｉＯ_ｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、ポリパラキシリレンまたはウレタンなどの光透過性誘電材料により形成されている。なお、画素電極５６は、保護層５３および平坦化絶縁層５４に設けられたコンタクトホール（図示せず）を通じて有機ＴＦＴ５２に接続されている。

対向基板６０は、例えば、支持基板６１の一面にカラーフィルタ６２が設けられたものである。支持基板６１は、例えば、ガラスまたはプラスチック材料などの透過性材料により形成されており、カラーフィルタ６２は、有機層５７において発生する光の色に対応する複数の色領域を有している。ただし、カラーフィルタ６２は省略されてもよい。

接着層７０は、例えば、熱硬化型樹脂などの接着剤である。

有機ＥＬ表示装置を駆動させるための回路は、例えば、図７に示したように、有機ＴＦＴ５２（選択用ＴＦＴ５２Ａおよび駆動用ＴＦＴ５２Ｂ）および有機ＥＬ表示素子７３（画素電極５６、有機層５７および対向電極５８を含む素子部）と共に、キャパシタ７４を含んでいる。この回路では、複数の信号線７１および走査線７２が交差する位置に、有機ＴＦＴ５２、有機ＥＬ表示素子７３およびキャパシタ７４が配置されている。選択用ＴＦＴ５２Ａおよび駆動用ＴＦＴ５２Ｂにおけるソース電極、ゲート電極およびドレイン電極の接続先は、図７に示した態様に限らず、任意に設定可能である。

この有機ＥＬ表示装置では、例えば、選択用ＴＦＴ５２Ａにより有機ＥＬ表示素子７３が選択されると、その有機ＥＬ表示素子７３が駆動用ＴＦＴ５２Ｂにより駆動される。これにより、画素電極５６と対向電極５８との間に電界が印加されると、有機層５７において光が発生する。この場合には、例えば、隣り合う３つの有機ＥＬ表示素子７３において、それぞれ赤色、緑色または青色の光が発生する。これらの光の合成光が対向基板６０を経由して外部へ放出されるため、階調画像が表示される。

この有機ＥＬ表示装置によれば、有機ＴＦＴ５２が上記した有機ＴＦＴと同様の構成を有しているので、液晶表示装置と同様に表示性能を向上させることができる。

なお、有機ＥＬ表示装置は、トップエミッション型に限らず、駆動基板５０を経由して光を放出するボトムエミッション型でもよいし、駆動基板５０および対向基板６０の双方を経由して光を放出するデュアルエミッション型でもよい。この場合には、画素電極５６および対向電極５８のうち、光が放出される側の電極が透過性材料により形成され、光が放出されない側の電極が反射性材料により形成されることになる。

＜２−３．電子ペーパー表示装置＞
有機ＴＦＴは、例えば、電子ペーパー表示装置に適用される。図８は、電子ペーパー表示装置の断面構成を表している。なお、以下で説明する装置構成（図８）および図５を参照して説明する回路構成はあくまで一例であり、それらの構成は適宜変更可能である。

ここで説明する電子ペーパー表示装置は、例えば、有機ＴＦＴをスイッチング用の素子として用いたアクティブマトリクス駆動方式の電子ペーパーディスプレイである。この電子ペーパー表示装置は、例えば、駆動基板８０と複数の電気泳動素子９３を含む対向基板９０とが接着層１００を介して貼り合わされたものである。

駆動基板８０は、例えば、支持基板８１の一面に有機ＴＦＴ８２、保護層８３、平坦化絶縁層８４および画素電極８５がこの順に形成されていると共に、複数の有機ＴＦＴ８２および画素電極８５がマトリクス状に配置されたものである。支持基板８１は、例えば、ガラスまたはプラスチック材料などにより形成されており、有機ＴＦＴ８２は、上記した有機ＴＦＴと同様の構成を有している。保護層８３および平坦化絶縁層８４は、例えば、ポリイミドなどの絶縁性樹脂材料により形成されており、画素電極８５は、例えば、銀（Ａｇ）などの金属材料により形成されている。なお、画素電極８５は、保護層８３および平坦化絶縁層８４に設けられたコンタクトホール（図示せず）を通じて有機ＴＦＴ８２に接続されている。また、保護層８３により十分な平坦性が得られていれば、平坦化絶縁層８４は省略されてもよい。

対向基板９０は、例えば、支持基板９１の一面に対向電極９２、および複数の電気泳動素子９３を含む層がこの順に形成されていると共に、その対向電極９２が全面形成されたものである。支持基板９１は、例えば、ガラスまたはプラスチック材料などの透過性材料により形成されており、対向電極９２は、例えば、ＩＴＯなどの透過性導電性材料により形成されている。電気泳動素子９３は、例えば、絶縁性液体中に荷電粒子が分散され、それらがマイクロカプセル中に封入されたものである。荷電粒子は、例えば、グラファイト微粒子などである黒粒子と、酸化チタン微粒子などである白粒子とを含んでいる。

この他、電子ペーパー表示装置は、例えば、カラーフィルタなどの他の構成要素（図示せず）を備えていてもよい。

電子ペーパー表示装置を駆動させるための回路は、例えば、図５に示した液晶表示装置の回路と同様の構成を有している。電子ペーパー表示装置の回路は、有機ＴＦＴ２２および液晶表示素子４４の代わりに、それぞれ有機ＴＦＴ８２および電子ペーパー表示素子（画素電極８５、対向電極９２および電気泳動素子９３を含む素子部）を含んでいる。

この電子ペーパー表示装置では、有機ＴＦＴ８２により電子ペーパー表示素子が選択され、その画素電極８５と対向電極９２との間に電界が印加されると、その電界に応じて電気泳動素子９３中の黒粒子または白粒子が対向電極９２に引き寄せられる。これにより、黒粒子および白粒子によりコントラストが表現されるため、階調画像が表示される。

この電子ペーパー表示装置によれば、有機ＴＦＴ８２が上記した有機ＴＦＴと同様の構成を有しているので、液晶表示装置と同様に表示性能を向上させることができる。

以上、実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施形態で説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明の薄膜トランジスタの構造は、トップコンタクト・ボトムゲート型に限らず、トップコンタクト・トップゲート型でもよい。この場合においても、有機半導体層（下部有機半導体層および上部有機半導体層）を備えたチャネルエッチ型の有機ＴＦＴが容易かつ安定に製造されるため、トップコンタクト・ボトムゲート型と同様の効果を得ることができる。

また、例えば、本発明の薄膜トランジスタが適用される電子機器は、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置または電子ペーパー表示装置に限らず、他の表示装置でもよい。このような他の表示装置としては、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）表示部などが挙げられる。この場合においても、表示性能を向上させることができる。

さらに、例えば、本発明の薄膜トランジスタは、表示装置以外の他の電子機器に適用されてもよい。このような電子機器としては、例えば、センサマトリックスまたはメモリセルなどが挙げられる。この場合においても、よって、薄膜トランジスタの移動度およびオンオフ比が向上するため、性能向上を図ることができる。

１…ゲート電極、２…ゲート絶縁層、３…有機半導体層、３Ａ…下部有機半導体層、３Ｂ…上部有機半導体層、４…ソース電極、５…ドレイン電極、Ｒ１〜Ｒ３…領域。

Claims

ゲート電極と、
そのゲート電極の上に形成されたゲート絶縁層と、
そのゲート絶縁層の上に形成された有機半導体層と、
その有機半導体層の上に、互いに離間されると共にそれぞれ前記有機半導体層と重なるように形成されたソース電極およびドレイン電極と、
を備え、
前記有機半導体層は、
前記ゲート絶縁層の上に形成された下部有機半導体層と、
その下部有機半導体層の上に形成されると共に前記下部有機半導体層よりも高い溶解性および導電性を有する上部有機半導体層と、
を含み、
前記下部有機半導体層は、前記ソース電極と重なる領域から前記ドレイン電極と重なる領域まで延在しており、
前記上部有機半導体層は、前記ソース電極および前記ドレイン電極のそれぞれと重なる領域に互いに離間されるように配置されていると共に、前記下部有機半導体層の形成材料に溶解性を付与するための置換基が導入された材料を含んでいる、
薄膜トランジスタ。
前記上部有機半導体層のイオン化ポテンシャルは前記下部有機半導体層のイオン化ポテンシャルよりも小さい、
請求項１記載の薄膜トランジスタ。
前記上部有機半導体層は、抵抗を低下させるためのドーピング材料を含んでいる、
請求項１記載の薄膜トランジスタ。
ゲート電極を形成する工程と、
そのゲートの電極の上にゲート絶縁層を形成する工程と、
そのゲート絶縁層の上に下部有機半導体層を形成する工程と、
前記下部有機半導体層の上に、その下部有機半導体層の形成材料に溶解性を付与するための置換基が導入された材料を用いて、前記下部有機半導体層よりも高い溶解性および導電性を有する上部有機半導体層を形成する工程と、
前記上部有機半導体層の上に、互いに離間されると共にそれぞれ前記上部有機半導体層と重なるようにソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極をマスクとして前記上部有機半導体層を選択的に溶解させる工程と、
を含む、薄膜トランジスタの製造方法。
ゲート電極と、
そのゲート電極の上に形成されたゲート絶縁層と、
そのゲート絶縁層の上に形成された有機半導体層と、
その有機半導体層の上に、互いに離間されると共にそれぞれ前記有機半導体層と重なるように形成されたソース電極およびドレイン電極と、
を含む薄膜トランジスタを備え、
前記有機半導体層は、
前記ゲート絶縁層の上に形成された下部有機半導体層と、
その下部有機半導体層の上に形成されると共に前記下部有機半導体層よりも高い溶解性および導電性を有する上部有機半導体層と、
を含み、
前記下部有機半導体層は、前記ソース電極と重なる領域から前記ドレイン電極と重なる領域まで延在しており、
前記上部有機半導体層は、前記ソース電極および前記ドレイン電極のそれぞれと重なる領域に互いに離間されるように配置されていると共に、前記下部有機半導体層の形成材料に溶解性を付与するための置換基が導入された材料を含んでいる、
電子機器。