JP5810650B2 - 有機半導体素子の製造方法および有機半導体素子 - Google Patents
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- Thin Film Transistor (AREA)
Description
まず、本発明の有機半導体素子の製造方法について説明する。本発明の有機半導体素子の製造方法は、有機半導体層の構成に応じて、2つの態様に大別することができる。以下、本発明の有機半導体素子の製造方法について、各態様に分けて説明する。
本発明の第1態様の有機半導体素子の製造方法は、ソース電極およびドレイン電極を覆うように、低分子有機半導体材料を有する有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程と、上記ソース電極および上記ドレイン電極間のチャネル領域を含むように、上記有機半導体層上に第一誘電体層を形成する第一誘電体層形成工程と、上記低分子有機半導体材料を溶解することができる溶媒で、上記有機半導体層の一部を洗浄することにより、第一誘電体層非形成領域の上記有機半導体層を除去する洗浄除去工程と、上記第一誘電体層を覆うように第二誘電体層を形成する第二誘電体層形成工程と、を有することを特徴とするものである。
以下、本態様の有機半導体素子の製造方法における各工程について説明する。
まず、本態様における有機半導体層形成工程について説明する。本工程は、ソース電極およびドレイン電極を覆うように、低分子有機半導体材料を有する有機半導体層を形成する工程である。
次に、本態様における第一誘電体層形成工程について説明する。本工程は、上記ソース電極および上記ドレイン電極間のチャネル領域を含むように、上記有機半導体層上に第一誘電体層を形成する工程である。
次に、本態様における洗浄除去工程について説明する。本工程は、上記低分子有機半導体材料を溶解することができる溶媒で、上記有機半導体層の一部を洗浄することにより、第一誘電体層非形成領域の上記有機半導体層を除去する工程である。
次に、本態様における第二誘電体層形成工程について説明する。本工程は、上記第一誘電体層を覆うように第二誘電体層を形成する工程である。
本態様の有機半導体素子の製造方法は、少なくとも、有機半導体層形成工程と、第一誘電体層形成工程と、洗浄除去工程と、第二誘電体層形成工程とを有するものであるが、必要に応じて他の工程を有していてもよいものである。本態様に用いられる他の工程は、特に限定されるものではなく、本態様において製造される有機半導体素子の用途等に応じて、任意の工程を用いることができる。本態様においては、上記他の工程として、上記有機半導体層形成工程の前に、基板と、上記基板上に形成されたゲート電極と、上記ゲート電極を覆うように上記基板上に形成されたゲート絶縁層とを有する電極積層体を用い、上記電極積層体の上記ゲート絶縁層上に上記ソース電極および上記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形成工程を有していてもよい。上記ソース電極およびドレイン電極形成工程を有することにより、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の有機半導体素子を形成することができる。
また、上記基板の厚みは、上記基板の種類等に応じて適宜決定されるものであるが、通常、1mm以下であることが好ましく、中でも、1μm〜700μmの範囲内であることが好ましい。
また、上記ゲート電極の厚みは、当該ゲート電極を形成するために用いられる導電性材料の種類等に応じて、所望の導電性を達成できる範囲内で適宜決定されるものであるが、通常、10nm〜1μmの範囲内であることが好ましい。
また、上記ゲート絶縁層の厚みは、当該ゲート絶縁層を形成するために用いられる絶縁性材料の種類等に応じて、所望の絶縁性を達成できる範囲内で適宜決定されるものであるが、通常、10nm〜5μmの範囲内であることが好ましい。
なお、上記ゲート電極形成工程において、ゲート電極を形成するために用いられる構成材料、および形成されるゲート電極の厚みについては、上述した内容と同様である。
また、上記ソース電極およびドレイン電極形成工程に用いられる基板、ソース電極およびドレイン電極の厚みおよび形成方法については、上述した内容と同様である。
なお、上記ゲート電極形成工程において、ゲート電極を形成するために用いられる構成材料、および形成されるゲート電極の厚みについては、上述した内容と同様である。
また、上記ソース電極およびドレイン電極形成工程については、上述した内容と同様である。
本発明の第2態様の有機半導体素子の製造方法は、ソース電極およびドレイン電極を覆うように、低分子有機半導体材料および有機高分子材料を有する有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程と、上記ソース電極および上記ドレイン電極間のチャネル領域を含むように、上記有機半導体層上に第一誘電体層を形成する第一誘電体層形成工程と、上記低分子有機半導体材料を溶解することができる溶媒で、上記有機半導体層の一部を洗浄することにより、第一誘電体層非形成領域の上記有機半導体層中の上記低分子有機半導体材料を除去し、かつ、上記第一誘電体層非形成領域の上記有機半導体層中の上記有機高分子材料を残す洗浄除去工程と、上記第一誘電体層を覆うように第二誘電体層を形成する第二誘電体層形成工程と、を有することを特徴とするものである。
以下、本態様の有機半導体素子の製造方法における各工程について説明する。
なお、本態様における第一誘電体層形成工程については、上記「1.第1態様」の項において説明した工程と同様であるので、ここでの説明は省略する。
まず、本態様における有機半導体層形成工程について説明する。本工程は、ソース電極およびドレイン電極を覆うように、低分子有機半導体材料および有機高分子材料を有する有機半導体層を形成する工程である。
次に、本態様における洗浄除去工程について説明する。本工程は、上記低分子有機半導体材料を溶解することができる溶媒で、上記有機半導体層の一部を洗浄することにより、第一誘電体層非形成領域の上記有機半導体層中の上記低分子有機半導体材料を除去し、かつ、上記第一誘電体層非形成領域の上記有機半導体層中の上記有機高分子材料を残す工程である。
次に、本態様における第二誘電体層形成工程について説明する。本工程は、上記第一誘電体層を覆うように第二誘電体層を形成する工程である。
本態様の有機半導体素子の製造方法は、少なくとも、有機半導体層形成工程と、第一誘電体層形成工程と、洗浄除去工程と、第二誘電体層形成工程とを有するものであるが、必要に応じて他の工程を有していてもよいものである。本態様に用いられる他の工程は、特に限定されるものではなく、本態様において製造される有機半導体素子の用途等に応じて、任意の工程を用いることができる。本態様においては、上記他の工程として、上記有機半導体層形成工程の前に、基板と、上記基板上に形成されたゲート電極と、上記ゲート電極を覆うように上記基板上に形成されたゲート絶縁層とを有する電極積層体を用い、上記電極積層体の上記ゲート絶縁層上に上記ソース電極および上記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形成工程を有していてもよい。上記ソース電極およびドレイン電極形成工程を有することにより、ボトムゲート・ボトムコンタクト型の有機半導体素子を形成することができる。
次に、本発明の有機半導体素子について説明する。本発明の有機半導体素子は、ソース電極およびドレイン電極と、上記ソース電極および上記ドレイン電極を覆うように形成され、低分子有機半導体材料および有機高分子材料を有する有機半導体層と、上記有機半導体層の周囲に形成され、上記有機半導体層から上記低分子有機半導体材料が除去され、上記有機高分子材料が残存する高分子層と、上記有機半導体層上にのみ形成された第一誘電体層と、上記第一誘電体層を覆うように上記高分子層上に形成された第二誘電体層と、を有することを特徴とするものである。
以下、本発明の有機半導体素子における各構成について説明する。
まず、本発明における有機半導体層について説明する。本発明における有機半導体層は、ソース電極およびドレイン電極を覆うように形成され、低分子有機半導体材料および有機高分子材料を有するものである。なお、本発明における低分子有機半導体材料および有機高分子材料については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。また、上記有機半導体層の厚み等についても、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明した内容と同様である。
次に、本発明における高分子層について説明する。本発明における高分子層は、上記有機半導体層の周囲に形成され、上記有機半導体層から上記低分子有機半導体材料が除去され、上記有機高分子材料が残存するものである。高分子層は、有機半導体層の側面を保護する機能を有する。上記高分子層が形成されていることを判断する方法、および上記高分子層の詳細については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。
次に、本発明における第一誘電体層について説明する。本発明における第一誘電体層は、上記有機半導体層上にのみ形成されるものである。上記第一誘電体層の材料および厚み等については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。
次に、本発明における第二誘電体層について説明する。本発明における第二誘電体層は、上記第一誘電体層を覆うように上記高分子層上に形成されるものである。上記第二誘電体層の材料および厚み等については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。なお、第二誘電体層と高分子層との接触部には、第二誘電体層および高分子層が混ざり合った混合層が形成されていてもよい。混合層が形成されることにより、第二誘電体層および高分子層の接着性の向上を図ることができる。
次に、本発明におけるソース電極およびドレイン電極について説明する。本発明におけるソース電極およびドレイン電極は、互いに一定の間隔をもって対向するように形成されるものである。また、ソース電極およびドレイン電極間に設けられた間隔は、チャネル領域となるものである。上記ソース電極および上記ドレイン電極については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
本発明の有機半導体素子は、少なくとも、上記ソース電極および上記ドレイン電極、上記有機半導体層、上記高分子層、上記第一誘電体層、および上記第二誘電体層を有するものであり、必要に応じて他の構成を有していてもよいものである。本発明に用いられる他の構成としては、特に限定されるものではなく、本発明の有機半導体素子の用途や、本発明の有機半導体素子の製造方法等に応じて、所望の機能を有するものを適宜選択して用いることができる。本発明においては、上記他の構成として、通常、基板、ゲート電極、およびゲート絶縁層が用いられる。なお、基板、ゲート電極、およびゲート絶縁層については、上記「A.有機半導体素子の製造方法」の項において説明した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。
(電極積層体の作製)
<基板、ゲート電極およびゲート絶縁層>
基板としては、厚さ約3000Å(300nm)の酸化ケイ素層が付した厚さ0.6mmのn−ヘビードープシリコンウエハを用いた。これは、n−ヘビードープシリコン部がゲート電極として機能する一方、酸化ケイ素層はゲート絶縁層として働くものであり、その静電容量は約11nF/cm2(ナノファラッド/平方センチメートル)であった。
上記電極積層体の上記ゲート絶縁層上に、厚さ30nmのAuを、W(幅)=1000μm、L(長さ)=50μmにてシャドウマスクを通して真空蒸着し、ソース電極およびドレイン電極とした。
上記ソース電極および上記ドレイン電極を覆うように上記ゲート絶縁層上に、低分子有機半導体材料である6,13‐ビス(トリイソプロピルシリルエチニル)ペンタセン(TIPSペンタセン)および有機高分子材料であるポリスチレンを1:1の重量比で混合した混合物を2wt%でキシレンに溶解させた有機半導体層形成用塗工液を厚さ40nmとなるように、スピンコート(1000rpm、30秒)し、100℃で1分間乾燥することにより、有機半導体層を形成した。
上記ソース電極および上記ドレイン電極間のチャネル領域を含むように、上記有機半導体層上に、Teflon AF(三井・デュポンフルオロケミカル株式会社製)を6wt%でフロリナートFC−40(住友スリーエム株式会社製)に溶解させた第一誘電体層形成用塗工液をスクリーン印刷法にて塗布し、100℃で20分間乾燥することにより、厚さ1μmの第一誘電体層を形成した。
上記第一誘電体層に被覆されていない部分の上記有機半導体層を、イソプロピルアルコールとPGMEAとを重量比5:1で混合した溶液に30秒間浸漬して洗浄することにより、上記第一誘電体層が形成されていない第一誘電体層非形成領域の上記有機半導体層を除去し、その後、90℃で1分間乾燥した。
上記第一誘電体層を覆うように、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)を5wt%でPGMEAに溶解させた第二誘電体層形成用塗工液をスピンコート法にて塗布し、100℃で10分間乾燥することにより、厚さ0.5μmの第二誘電体層を形成することで、有機半導体素子を作製した。
上記洗浄除去工程を行わなかったこと以外は、実施例と同様の方法により、有機半導体素子を作製した。
(XPS測定)
上記実施例において作製した有機半導体素子について、角度分解型微小領域X線光電子分光装置(Theta Probe:Thermofisherscientific社製)を用いて測定した。測定は、有機半導体素子上面から行った。その結果、実施例において、第一誘電体層が形成されていない第一誘電体層非形成領域では、ポリスチレンに由来するC(炭素)のピークが観測されたが、TIPSペンタセンに由来するC(炭素)のピークは観測されなかったのに対して、第一誘電体層が形成されている第一誘電体層形成領域では、ポリスチレンおよびTIPSペンタセンに由来するC(炭素)のピークがそれぞれ観測された。このことから、第一誘電体層非形成領域に、低分子有機半導体材料を有さず、有機高分子材料を有する高分子層が形成されていることが確認された。
上記実施例および比較例において作製した有機半導体素子について、トランジスタ特性評価した。トランジスタ特性評価は、KEITHLEY製 237HIGH VOLTAGE SOURCE MEASUREMENT UNITで行った。キャリヤ移動度(μ)は、飽和領域(ゲート電圧VG<ソース・ドレイン電圧VSD)におけるデータより、下記式に従って計算した。式中、IDは飽和領域におけるドレイン電流であり、WとLはそれぞれ半導体チャネルの幅と長さであり、Ciはゲート電極の単位面積当たりの静電容量であり、VGおよびVTはそれぞれ、ゲート電圧および閾電圧である。この装置のVTは、飽和領域におけるIDの平方根と、測定データからID=0を外挿して求めた装置のVGとの関係から求めた。
ID=Ciμ(W/2L)(VG−VT)2
2 … ドレイン電極
3 … 有機半導体層
4 … 第一誘電体層
5 … 第二誘電体層
6 … 高分子層
10 … 有機半導体素子
11 … 基板
12 … ゲート電極
13 … ゲート絶縁層
14 … 電極積層体
C … チャネル領域
X … 第一誘電体層非形成領域
Claims (4)
- ソース電極およびドレイン電極を覆うように、低分子有機半導体材料および有機高分子材料を有する有機半導体層を形成する有機半導体層形成工程と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極間のチャネル領域を含むように、前記有機半導体層上に第一誘電体層を形成する第一誘電体層形成工程と、
前記低分子有機半導体材料を溶解することができる溶媒で、前記有機半導体層の一部を洗浄することにより、第一誘電体層非形成領域の前記有機半導体層中の前記低分子有機半導体材料を除去し、かつ、前記第一誘電体層非形成領域の前記有機半導体層中の前記有機高分子材料を残す洗浄除去工程と、
前記第一誘電体層を覆うように第二誘電体層を形成する第二誘電体層形成工程と、
を有することを特徴とする有機半導体素子の製造方法。 - 前記有機半導体層形成工程の前に、基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように前記基板上に形成されたゲート絶縁層とを有する電極積層体を用い、前記電極積層体の前記ゲート絶縁層上に前記ソース電極および前記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形成工程を有することを特徴とする請求項1に記載の有機半導体素子の製造方法。
- ソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極を覆うように形成され、低分子有機半導体材料および有機高分子材料を有する有機半導体層と、
前記有機半導体層の周囲に形成され、前記有機半導体層から前記低分子有機半導体材料が除去され、前記有機高分子材料が残存する高分子層と、
前記有機半導体層上にのみ形成された第一誘電体層と、
前記第一誘電体層を覆うように前記高分子層上に形成された第二誘電体層と、
を有することを特徴とする有機半導体素子。 - 前記ソース電極および前記ドレイン電極が、基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆うように前記基板上に形成されたゲート絶縁層とを有する電極積層体の前記ゲート絶縁層上に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の有機半導体素子。
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