JP6161027B2 - 有機薄膜トランジスタを用いたセンサーデバイス - Google Patents

Description

この発明は、有機薄膜トランジスタを利用して相補型回路を構成したセンサーデバイスに関し、特に同チャンネル型のトランジスタを利用して相補型回路を構成したセンサーデバイスに関する。

有機薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）は、例えばプラスチックフィルムなどの可撓性の素材上に、低温（室温）の雰囲気下において形成することができるため、軽量で柔軟な電子デバイスを実現できる技術として注目されている。
また、有機トランジスタに物理的な変化を加えた場合や、特定の物質を吸着させた時に起こる有機トランジスタの特性の変化を、電気信号として出力する機能を利用して、センサーデバイスなどへの応用も検討されている。

すなわち有機トランジスタは、圧力、温度、光、加速度、歪、磁気、湿度などの物理的変化や、ガス、イオン、ｐＨ、もしくは特定の酵素、ＤＮＡ、タンパク質などを検出するためのセンサーとして用いることができる。
特に、大面積を有するセンサーアレイや、曲面状に設置できるシート状のセンサーデバイスなど、樹脂フィルムを基板として用いたフレキシブルセンサーの検出部として用いること可能である。

従来の有機トランジスタを用いたセンサーは、有機トランジスタ単体をセンサー素子として機能させ、有機トランジスタを流れる電流変化（ドレイン電流）を検出するデバイス形態が一般的であり、これは特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示されているように、ゲート絶縁膜や有機半導体に検出したい物質と結合や反応しやすい置換基を含有させ、検出したい物質が吸着した時に起こる有機トランジスタに流れる電流変化を指標として、物質の検出などを行っている。

特開２００６−２５８６６１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたセンサーデバイスによると、前記したとおり有機トランジスタ単体をセンサー素子として機能させ、電気信号を計測する手法であるため、センシングした時の電流変化量が数倍程度と小さく感度が悪い。
また、この計測手法においては、桁で変わるような変化を検出することは難しく、信号のダイナミックレンジが狭いことが課題となる。すなわち前記センサーが、目的の物質を検出したかどうかについては識別できるものの、その量や程度などを定量的に検出することは難しい。

したがって、センサーとしての感度を向上させると共に、検出される信号のダイナミックレンジが広くなれば、前記課題を解決することができる。
また、実用的な回路を考えた場合、センシングしたときの電気信号を電圧信号として検出した方が信号処理がし易く、Ｓ／Ｎを大きく高めることができる。さらにセンシング情報を電圧信号として検出できれば、情報を容易にデジタル処理することも可能となる。

この発明は、前記した技術的な観点に基づいてなされたものであり、同チャンネル型のトランジスタを用いて相補型回路を構成し、これにより高感度でダイナミックレンジの広い検出能力を持つと共に、センシング情報を直接電圧信号として取り出すことができるセンサーデバイスを提供することを課題とするものである。

前記した課題を達成するためになされたこの発明に係るセンサーデバイスは、第１ないし第４の同チャンネル型のトランジスタが備えられ、前記第１および第２トランジスタの各ドレインおよびソース電極が動作電源間に直列接続されると共に、前記第２トランジスタのドレインおよびゲート電極が接続されて短絡され、前記第３および第４トランジスタの各ドレインおよびソース電極が動作電源間に直列接続されると共に、前記第４トランジスタのゲート電極に前記第２トランジスタのドレイン電極が接続され、かつ前記第１および第３トランジスタの各ゲート電極が接続されて、掃引される電圧の入力電圧端子になされ、前記第３トランジスタのソース電極と前記第４トランジスタのドレイン電極との接続点が電圧出力端子になされることで相補型回路が構成され、前記第１ないし第４のトランジスタのうちの少なくともいずれか一つが有機薄膜トランジスタにより構成してセンサー素子として利用され、前記入力電圧端子に供給される掃引される入力電圧に対する前記電圧出力端子にもたらされる出力電圧の変化を、センサー出力とすることを特徴とする。

この場合、センサー素子として利用される有機薄膜トランジスタは、物理変化を受けてもしくは特定の物質の吸着により電気特性が変化する機能を果たし、相補型回路を構成する他のトランジスタは、センサー感度を持たない構成にされる。

加えて、この発明にかかるセンサーデバイスの望ましい形態は、前記第１ないし第４トランジスタとしてＰチャンネル型トランジスタが用いられ、かつ前記第１トランジスタをセンサー素子として構成される。

前記したこの発明にかかるセンサーデバイスによると、第１ないし第４の同チャンネル型トランジスタを用いて疑似相補型回路（ＣＭＯＳ）が構成され、少なくともその一つのトランジスタが有機薄膜トランジスタ（有機ＴＦＴ）により構成されてセンサー素子として利用される。
前記センサー素子として利用される有機ＴＦＴは、目的の物理変化や特定の物質の吸着などにより電気特性が変化することでセンサーとしての機能を果たし、相補型回路の出力端子より電圧情報としてセンサー出力をもたらすことができる。

この場合、相補型回路の出力端子には、当該相補型回路に加える動作電圧（後述するＶｄｄおよびＶｓｓ）に応じて、ダイナミックレンジの広い検出出力（センサー出力）を電圧値として出力することができる。これにより、センサー素子として利用される有機ＴＦＴにより目的の物理変化や特定の物質などを定量的に検出することが可能なセンサーデバイスを提供することができる。
しかも、センサー出力情報は電圧値としてもたらされるので、センサー出力情報を即座にデジタル処理することも可能になるなど、外付けの回路構成を簡素化させることにも寄与できる。

この発明に係るセンサーデバイスに利用される第１の相補型回路の構成を示した結線図である。 図１に示す相補型回路に利用されるＰチャンネル型有機ＴＦＴの積層構成例を示した模式図である。 有機ＴＦＴの基板の曲げ度合いに対応した図１に示す相補型回路により得られる反転出力特性を示した線図である。 この発明に係るセンサーデバイスに利用される第２の相補型回路の構成を示した結線図である。 図４に示す相補型回路に利用されるＮチャンネル型有機ＴＦＴの積層構成例を示した模式図である。

以下、この発明に係るセンサーデバイスについて、図に示す実施の形態に基づいて説明する。
図１は、この発明に係るセンサーデバイスおいて利用される相補型回路の第１の形態を示した回路構成図であり、第１ないし第４トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４として、いずれもＰチャンネル型有機ＴＦＴ（以下、単にＰ型有機ＴＦＴとも言う。）を用いた例を示している。

図１に示すように、第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２の各ドレインおよびソース電極は、動作電源Ｖｄｄと動作電源Ｖｓｓ間に直列接続されている。すなわち、第１トランジスタＴｒ１のドレイン電極が動作電源Ｖｄｄに接続され、第１トランジスタＴｒ１のソース電極が第２トランジスタＴｒ２のドレイン電極に接続されている。また、第２トランジスタＴｒ２のソース電極は、動作電源Ｖｓｓに接続されており、第２トランジスタＴｒ２のドレインおよびゲート電極が接続されて短絡されている。
したがって、この第２トランジスタＴｒ２は、ドレインおよびゲート電極をアノード端子とし、ソース電極がカソード端子として機能するダイオードを構成している。

また、第３トランジスタＴｒ３および第４トランジスタＴｒ４の各ドレインおよびソース電極は、前記動作電源Ｖｄｄと回路の基準電位点ＧＮＤとの間に直列接続されている。
すなわち、第３トランジスタＴｒ３のドレイン電極が前記動作電源Ｖｄｄに接続され、第３トランジスタＴｒ３のソース電極が第４トランジスタＴｒ４のドレイン電極に接続されている。また、第４トランジスタＴｒ４のソース電極は、基準電位点ＧＮＤに接続されている。さらに、前記第４トランジスタのゲート電極に前記第２トランジスタのドレイン電極が接続されている。

そして、前記第１トランジスタＴｒ１および第３トランジスタＴｒ３の各ゲート電極が入力電圧端子Ｖｉｎを構成すると共に、第３トランジスタＴｒ３のソース電極と第４トランジスタＴｒ４のドレイン電極との接続点が電圧出力端子Ｖｏｕｔになされて相補型回路を構成している。

すなわち、図１に示す回路構成においては、前記した第１トランジスタＴｒ１、ダイオードとして機能する第２トランジスタＴｒ２、および第４トランジスタＴｒ４の各Ｐ型有機ＴＦＴの組み合わせにより、前記第４トランジスタＴｒ４が実質的にＮ型有機ＴＦＴの機能を果たしており、これにより第３トランジスタＴｒ３と第４トランジスタＴｒ４が相補型回路（ＣＭＯＳ）として動作する。したがって、図１に示す回路構成は疑似相補型回路と呼ぶこともできる。

図１に示す疑似相補型回路は、インバータとしての論理回路を構成しており、入力端子Ｖｉｎに供給される入力電圧に応じて、出力端子Ｖｏｕｔにもたらされる出力電圧は、前記動作電源Ｖｄｄと基準電位点ＧＮＤの範囲で変化が可能となる。
したがって、例えば第１トランジスタＴｒ１として機能するＰ型有機ＴＦＴを、前記したセンサー素子として利用した場合、第１トランジスタとしてのＰ型有機ＴＦＴの電気特性の変化を、大きなダイナミックレンジをもって出力端子Ｖｏｕｔにもたらすことができる。

図２は、前記した第１ないし第４トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４としてのＰ型有機ＴＦＴの積層構成例を示したものである。この例は電界効果型の有機トランジスタの一般的な構成であり、このトランジスタを作製するには、一例としてまずガラス板に耐熱性の両面テープを用いて１２５μｍの厚さのＰＥＮフィルムを貼り合せ、デバイスを作製するための基板１とする。

その基板１上にゲート電極２となるアルミニウムを膜厚３０ｎｍで真空蒸着し、続いてその上に、ゲート絶縁膜３となる架橋性ポリビニルフェノ一ルを膜厚３００ｎｍとなるようにスピンコートにより成膜する。次に、金電極を全面に成膜した後、フォトリソグラフィを用いてソース電極４およびドレイン電極５の形状にパターン成形する。最後に、Ｐ型有機半導体層６として、ぺンタセンを５０ｎｍの膜厚で真空蒸着することで、Ｐ型有機ＴＦＴを得ることができる。

この発明に係るセンサーデバイスにおいては、図１に示す第１トランジスタＴｒ１としてのＰ型有機ＴＦＴをセンサー素子として利用し、他の第２ないし第４トランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４としてのＰ型有機ＴＦＴは、センサーとしての感度を持たない構成になされる。

なお、センサーとしての感度を必要としない前記第２ないし第４トランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４は、そのチャネル長、チャネル幅、ゲート絶縁膜の膜厚、電極材料、有機半導体材料などのデバイス構造を最適化させることで、目的の物理変化や特定の物質の吸着などに対する電気特性の変化を小さくすることができ、センサーとしての感度を無くすことができる。
また、センサー感度を持たないトランジスタには、酸化物半導体、シリコン半導体、カーボンナノチューブを用いたトランジスタを、有機トランジスタの代わりに使用することもできる。

図３は、センサー素子を構成する前記した第１トランジスタＴｒ１の前記基板１の曲げ度合いに対応した相補型回路により得られる前記電圧出力端子Ｖｏｕｔの出力特性（反転特性）を示しており、図１に示す相補型回路の動作電圧Ｖｄｄとして２０Ｖを印加し、また動作電圧Ｖｓｓとして−２０Ｖを印加した状態で、入力電圧Ｖｉｎを−１０Ｖから３０Ｖまで掃引した場合の反転特性を示している。

すなわち、図３は横軸を入力電圧Ｖｉｎで示し、縦軸に出力電圧Ｖｏｕｔを示しており、第１トランジスタＴｒ１の基板１を表側にして曲げた場合（基板が凸方向に変形した場合）、および同基板１を内側にして曲げた場合（基板が凹方向に変形した場合）について示している。

図３において、符号ａ，ｂ，ｃで示す各特性は、基板１を凸方向に変形させた場合において、基板１の曲げ半径（Ｒ）が１０ｍｍ，５ｍｍ，３ｍｍの場合における出力電圧Ｖｏｕｔの反転特性を示している。また符号ｄ，ｅ，ｆで示す各特性は、基板１を凹方向に変形させた場合において、基板１の曲げ半径（Ｒ）が１０ｍｍ，５ｍｍ，３ｍｍの場合における出力電圧Ｖｏｕｔの反転特性を示している。
なお、符号ｇで示す特性は、基板１に曲げ操作を与えない場合を示している。

図３に示されているように、前記基板１を凸方向に変形させたときには反転特性が高電圧側にシフトし、基板１を凹方向に変形させたときには反転特性が低電圧側にシフトすることが理解できる。そして、相補型回路の入力電圧Ｖｉｎを掃引し、出力電圧Ｖｏｕｔが反転したときの前記入力電圧Ｖｉｎの値から、基板１の曲がり（変形）方向、およびその曲率を検出することが可能となる。
この図３に示す検出手段を利用することで、基板１が特定な曲率で曲がっているか否かをデジタル検出することが可能となる。

以上説明したこの発明に係るセンサーデバイスの第１形態は、４つのＰ型有機ＴＦＴを用いて疑似相補型回路を構成しているが、４つのＮ型有機ＴＦＴを用いて同様に疑似相補型回路を構成してセンサーデバイスとすることができる。
図４は、４つのＮチャンネル型有機ＴＦＴ（Ｎ型有機ＴＦＴ）を用いて疑似相補型回路を構成し、センサーデバイスとした第２の実施の形態を示すものである。

図４に示すように、第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２の各ドレインおよびソース電極は、回路の基準電位点ＧＮＤと動作電源Ｖｓｓ間に直列接続されている。
すなわち、第１トランジスタＴｒ１のドレイン電極が基準電位点ＧＮＤに接続され、第１トランジスタＴｒ１のソース電極が第２トランジスタＴｒ２のドレイン電極に接続されている。また、第２トランジスタＴｒ２のソース電極は、動作電源Ｖｓｓに接続されており、第２トランジスタＴｒ２のドレインおよびゲート電極が接続されて短絡されている。
したがって、この第２トランジスタＴｒ２は、ドレインおよびゲート電極をアノード端子とし、ソース電極がカソード端子として機能するダイオードを構成している。

また、第４トランジスタＴｒ４および第３トランジスタＴｒ３の各ドレインおよびソース電極は、動作電源Ｖｄｄと回路の基準電位点ＧＮＤとの間に直列接続されている。
すなわち、第４トランジスタＴｒ４のドレイン電極が前記動作電源Ｖｄｄに接続され、第４トランジスタＴｒ４のソース電極が第３トランジスタＴｒ３のドレイン電極に接続されている。また第３トランジスタＴｒ３のソース電極は、基準電位点ＧＮＤに接続されている。さらに、前記第４トランジスタのゲート電極に前記第２トランジスタのドレイン電極が接続されている。

そして、前記第１トランジスタＴｒ１および第３トランジスタＴｒ３のゲート電極が入力電圧端子Ｖｉｎを構成すると共に、第３トランジスタＴｒ３のドレイン電極と第４トランジスタＴｒ４のソース電極との接続点が電圧出力端子Ｖｏｕｔになされて相補型回路を構成している。

図４に示す回路構成においては、前記した第１トランジスタＴｒ１、ダイオードとして機能する第２トランジスタＴｒ２、および第４トランジスタＴｒ４の各Ｎ型有機ＴＦＴの組み合わせにより、前記第４トランジスタＴｒ４が実質的にＰ型有機ＴＦＴの機能を果たしており、これにより第３トランジスタＴｒ３と第４トランジスタＴｒ４が相補型回路（ＣＭＯＳ）として動作する。したがって、図４に示す回路構成も疑似相補型回路と呼ぶこともできる。

この図４に示す疑似相補型回路も、インバータとしての論理回路を構成しており、入力端子Ｖｉｎに供給される入力電圧に応じて、出力端子Ｖｏｕｔにもたらされる出力電圧は、前記動作電源Ｖｄｄと基準電位点ＧＮＤの範囲で変化が可能となる。
したがって、例えば第１トランジスタＴｒ１として機能するＮ型有機ＴＦＴを、前記したセンサー素子として利用した場合、第１トランジスタとしてのＮ型有機ＴＦＴの電気特性の変化を、大きなダイナミックレンジをもって出力端子Ｖｏｕｔにもたらすことができる。

図５は、図４に示す疑似相補型回路に用いられるＮ型有機ＴＦＴの積層構成例を示したものである。この例も電界効果型の有機トランジスタを構成しており、このＮ型有機ＴＦＴの作成においても、すでに説明したＰ型有機ＴＦＴの作成とほぼ同様の手順が採用される。

一例として、ガラス板に耐熱性の両面テープを用いて１２５μｍの厚さのＰＥＮフィルムを貼り合せ、デバイスを作製するための基板１１とする。
その基板１１上にゲート電極１２となるアルミニウムを膜厚３０ｎｍで真空蒸着し、続いてその上に、ゲート絶縁膜１３となる架橋性ポリビニルフェノ一ルを膜厚３００ｎｍとなるようにスピンコートにより成膜する。

次に、金電極を全面に成膜した後、フォトリソグラフィを用いてソース電極１４およびドレイン電極１５の形状にパターン成形する。最後に、Ｎ型有機半導体層１６として、ＦＰＴＢＢＴ（Chemical Communication,Vo1.46,Page 3265 ）を５０ｎｍの膜厚で真空蒸着することで、Ｎ型有機ＴＦＴを得ることができる。

図４および図５に示すセンサーデバイスの第２形態においても、例えば第１トランジスタＴｒ１としてのＮ型有機ＴＦＴをセンサー素子として利用した場合には、他の第２ないし第４トランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４としてのＮ型有機ＴＦＴは、センサーとしての感度を持たない構成になされる。
センサーとしての感度を必要としない各トランジスタについてはすでに説明したＰ型有機ＴＦＴと同様に、そのチャネル長、チャネル幅などのデバイス構造を最適化させることでこれを実現させることができる。

そして、図４および図５に示すセンサーデバイスの第２形態においても、第１トランジスタＴｒ１としてのＮ型有機ＴＦＴをセンサー素子として利用し、これを基板の曲がり度合いを検出するセンサーとして利用した場合、図３に示した例と同様の検出特性を得ることができる。

この発明に係るセンサーデバイスについては、一つの例として基板等の曲がり度合いを検出する場合について説明したが、この発明に係るセンサーデバイスは、他に圧力、温度、光、加速度、歪、磁気、湿度などの物理的変化の検出にも利用できる。この物理的変化の検出においては、センサーデバイスの全体を被測定位置もしくは雰囲気中に配置することにより、センサー出力を得ることができる。

また、ガス、イオン、ｐＨ、もしくは特定の酵素、ＤＮＡ、タンパク質などを検出するには、センサー素子として機能する例えば図２に示したＰ型有機ＴＦＴの有機半導体層６の表面に、また図５に示したＮ型有機ＴＦＴの有機半導体層１６の表面に、被検出物質を吸着できる層を形成することが望ましい。
そして、特定の物質の吸着によって生ずる有機ＴＦＴの電気特性の変化が、相補型回路のＶｏｕｔ端子よりもたらされ、これによりセンサー機能を果たすことができる。

なお、図２および図５に示した有機トランジスタは、ボトムゲート・トップコンタクト構造であるが、この発明に係るセンサーデバイスにおいては、これに限らず、ボトムゲート・ボトムコンタクト構造、トップゲート・ボトムコンタクト構造などを適宜採用することができる。
また、有機トランジスタに用いる絶縁材料、電極、基材の種類についても格別なものは必要とせず、有機トランジスタに適した一般的な素材を用いることができる。

以上説明した実施の形態においては、いずれも疑似相補型回路を構成する第１トランジスタＴｒ１をセンサー素子として利用しているが、これは第２ないし第４トランジスタＴｒ２〜Ｔｒ４のいずれかをセンサー素子として利用することもできる。

なお、図４および図５に示したセンサーデバイスの第２の実施の形態においては、４つのＮ型有機ＴＦＴを用いて疑似相補型回路を構成しているが、現状におけるＮ型有機トランジスタはＰ型有機トランジスタに比べ、一般的にデバイスとしての安定性が悪く劣化しやすい。したがってセンサーデバイスとしての耐久性や再現性を考慮すると、現状においては第１の実施の形態に示すＰ型有機トランジスタによるセンサーデバイスを利用することが望ましい。

１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲート絶縁膜
４ ソース電極
５ ドレイン電極
６ Ｐ型有機半導体層
１１ 基板
１２ ゲート電極
１３ ゲート絶縁膜
１４ ソース電極
１５ ドレイン電極
１６ Ｎ型有機半導体層
Ｔｒ１〜Ｔｒ４ トランジスタ

Claims (3)

1. 第１ないし第４の同チャンネル型のトランジスタが備えられ、前記第１および第２トランジスタの各ドレインおよびソース電極が動作電源間に直列接続されると共に、前記第２トランジスタのドレインおよびゲート電極が接続されて短絡され、前記第３および第４トランジスタの各ドレインおよびソース電極が動作電源間に直列接続されると共に、前記第４トランジスタのゲート電極に前記第２トランジスタのドレイン電極が接続され、
   かつ、前記第１および第３トランジスタの各ゲート電極が接続されて、掃引される電圧の入力電圧端子になされ、前記第３トランジスタのソース電極と前記第４トランジスタのドレイン電極との接続点が電圧出力端子になされることで相補型回路が構成され、
   前記第１ないし第４のトランジスタのうちの少なくともいずれか一つが有機薄膜トランジスタにより構成してセンサー素子として利用され、前記入力電圧端子に供給される掃引される入力電圧に対する前記電圧出力端子にもたらされる出力電圧の変化を、センサー出力とすることを特徴とするセンサーデバイス。
2. センサー素子として利用される有機薄膜トランジスタは、物理変化を受けてもしくは特定の物質の吸着により電気特性が変化する機能を果たし、相補型回路を構成する他のトランジスタは、センサー感度を持たないことを特徴とする請求項１に記載されたセンサーデバイス。
3. 前記第１トランジスタをセンサー素子として用いたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたセンサーデバイス。

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