JP7094166B2 - 薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに電子素子 - Google Patents

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Description

本発明は、薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに薄膜トランジスタを含む電子素子に関する。
液晶表示装置(liquid crystal displayay:LCD)、有機発光表示装置(organic light emitting diode display:OLED display)、電気泳動表示装置(electrophoretic display)などの平板表示装置は、複数対の電場生成電極と、その間に介在する電気光学活性層を含む。液晶表示装置の場合、電気光学活性層として液晶層を含み、有機発光表示装置の場合、電気光学活性層として有機発光層を含む。
一対をなす電場生成電極のうちの一つは、通常スイッチング素子に連結されて電気信号の印加を受け、電気光学活性層はこのような電気信号を光学信号に変換することによって映像を表示する。
平板表示装置では、スイッチング素子として三端子素子である薄膜トランジスタ(thin film transistor:TFT)を使用し、この薄膜トランジスタを制御するための走査信号を伝達するゲート線(gate line)と、画素電極に印加される信号を伝達するデータ線(data line)とが平板表示装置に設けられる。
このような薄膜トランジスタの中で、ケイ素(Si)のような無機半導体の代わりに有機半導体(organic semiconductor)を含む有機薄膜トランジスタ(organic thin film transistor:OTFT)に対する研究が活発に行われている。
特開2005-277017号公報
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、改善された性能を具現する薄膜トランジスタ及びその製造方法並びに薄膜トランジスタを含む電子素子を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による薄膜トランジスタは、ゲート電極と、前記ゲート電極に重畳する半導体層と、前記半導体層に電気的に連結されたソース電極及びドレイン電極と、を備え、前記半導体層は、第1有機半導体物質を含む第1半導体層と、前記ゲート電極から前記第1半導体層よりも遠く離れて位置して第2有機半導体物質を含む第2半導体層と、を含み、前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位と前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位とは、互いに異なる。
前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも高くあり得る。
前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも0.2eV以上高くあり得る。
前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、4.8~5.3eVであり、前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、5.2~5.6eVであり得る。
前記第1半導体層の厚さは、前記第2半導体層の厚さよりも厚くあり得る。
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記第2半導体層の上部表面に接触し得る。
前記薄膜トランジスタは、前記ゲート電極と前記半導体層との間に位置するゲート絶縁膜を更に含み、前記第1半導体層の下部表面は、前記ゲート絶縁膜に接触し得る。
前記第1半導体層と前記第2半導体層とは、同じ平面模様を有し得る。
前記第1有機半導体物質の電荷移動度は、前記第2有機半導体物質の電荷移動度よりも大きくあり得る。
前記第1有機半導体物質及び前記第2有機半導体物質は、それぞれ縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり得る。
前記第1有機半導体物質は、8個以上の環が縮合した縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり、前記第2有機半導体物質は、8個未満の環が縮合した縮合多環ヘテロ環化合物であり得る。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による薄膜トランジスタの製造方法は、ゲート電極を形成する段階と、半導体層を形成する段階と、ソース電極及びドレイン電極を形成する段階と、を有し、前記半導体層を形成する段階は、第1有機半導体物質を含む第1半導体層を形成する段階と、前記第1半導体層の上に第2有機半導体物質を含む第2半導体層を形成する段階と、を含み、前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位と前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位とは、互いに異なる。
前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも高くあり得る。
前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも0.2eV以上高くあり得る。
前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、4.8~5.3eVであり、前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、5.2~5.6eVであり得る。
前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する段階は、前記半導体層を形成する段階後に行われ、前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する段階は、前記第2半導体層の上に導電層を形成する段階と、エッチング液を用いて前記導電層をエッチングする段階と、を含み、前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記エッチング液の酸化電位よりも高くあり得る。
前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記エッチング液の酸化電位よりも高く、5.6eV以下であり得る。
前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記エッチング液の酸化電位よりも低くあり得る。
前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、4.8eV以上であり、前記エッチング液の酸化電位よりも低くあり得る。
前記半導体層を形成する段階は、第1半導体層用薄膜を形成する段階と、第2半導体層用薄膜を形成する段階と、前記第1半導体層用薄膜及び前記第2半導体層用薄膜を一度にエッチングする段階と、を含み得る。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による電子素子は、前記薄膜トランジスタを含む。
本発明によれば、高性能な薄膜トランジスタを具現することができる。
一実施形態による薄膜トランジスタの概略的な断面図である。 図1の薄膜トランジスタの一例による製造方法を示す断面図である。 図1の薄膜トランジスタの一例による製造方法を示す断面図である。 図1の薄膜トランジスタの一例による製造方法を示す断面図である。 図1の薄膜トランジスタの一例による製造方法を示す断面図である。 図1の薄膜トランジスタの一例による製造方法を示す断面図である。 図1の薄膜トランジスタの一例による製造方法を示す断面図である。 図1の薄膜トランジスタの一例による製造方法を示す断面図である。 図1の薄膜トランジスタの一例による製造方法を示す断面図である。 図1の薄膜トランジスタの一例による製造方法を示す断面図である。
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、実際に適用される構造は、多様な異なる形態に具現され、ここで説明する実施形態に限定されない。
本明細書で別途の定義がない限り、‘置換’とは、化合物中の水素原子がハロゲン原子(F、Br、Cl、又はI)、ヒドロキシ基、アルコキシ基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、アジド基、アミジノ基、ヒドラジノ基、ヒドラゾノ基、カルボニル基、カルバミル基、チオール基、エステル基、カルボキシル基やその塩、スルホン酸基やその塩、燐酸やその塩、C1~C20アルキル基、C2~C20アルケニル基、C2~C20アルキニル基、C6~C30アリール基、C7~C30アリールアルキル基、C1~C30アルコキシ基、C1~C20ヘテロアルキル基、C3~C20ヘテロアリールアルキル基、C3~C30シクロアルキル基、C3~C15シクロアルケニル基、C6~C15シクロアルキニル基、C3~C30ヘテロシクロアルキル基、及びこれらの組み合わせから選択される置換基で置換されることを意味する。
また、本明細書で別途の定義がない限り、‘ヘテロ’とは、N、O、S、Se、及びPから選択されるヘテロ原子を1~3個含有するものを意味する。
図面において複数の層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。明細書全体に亘って類似の部分については同一の参照符号を付与する。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の“上”にあるとする場合、これは、他の部分の“直上”にある場合のみならず、その中間に更に他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の“直上”にあるとする場合には、中間に他の部分がないことを意味する。
以下、HOMOエネルギー準位の値を真空レベル(vacuum level)からの絶対値で表示する。また、HOMOエネルギーレベルが‘深い’、‘高い’、又は‘大きい’ということは真空レベルを‘0eV’として絶対値が大きいことを意味し、HOMOエネルギーレベルが‘浅い’、‘低い’、又は‘小さい’ということは真空レベルを‘0eV’として絶対値が小さいことを意味する。
以下、酸化還元電位(redox potential)を絶対値で表示する。酸化還元電位が‘高い’又は‘大きい’ということは絶対値が大きいことを意味し、酸化還元電位が‘低い’又は‘小さい’ということは絶対値が小さいことを意味する。
以下、一実施形態による薄膜トランジスタについて説明する。
図1は、一実施形態による薄膜トランジスタの概略的な断面図である。
本実施形態による薄膜トランジスタは、基板110、ゲート電極124、ゲート絶縁膜140、半導体層154、ソース電極173、及びドレイン電極175を含む。
基板110は、例えば透明ガラス又は高分子のような絶縁基板であるか又はシリコンウエハーである。高分子は、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリイミド、又はこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない。
基板110の上にはゲート電極124が形成される。ゲート電極124は、ゲート信号を伝達するゲート線(図示せず)に連結される。ゲート電極124は、例えば金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、チタニウム(Ti)、これらの合金、又はこれらの組み合わせからなるが、これらに限定されるものではない。しかし、基板110がシリコンウエハーの場合、ゲート電極124はシリコンウエハーのドーピング領域である。ゲート電極124は1層又は2層以上である。
ゲート電極124の上にはゲート絶縁膜140が形成される。
ゲート絶縁膜140は有機物質又は無機物質からなり、有機物質の例としては、ポリビニルアルコール(polyvinyl alcohol)系化合物、ポリイミド(polyimide)系化合物、ポリアクリール(polyacryl)系化合物、ポリスチレン(polystyrene)系化合物、ベンゾシクロブタン(benzocyclobutane:BCB)、又はこれらの組み合わせが挙げられ、無機物質の例としては、窒化ケイ素(SiNx)、酸化ケイ素(SiO)、酸化アルミニウム(Al)、又はこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。ゲート絶縁膜140は、例えば1層又は2層以上である。
ゲート絶縁膜140の上には半導体層154が形成される。
半導体層154は、ゲート絶縁膜140を間においてゲート電極124に重畳される。
半導体層154は、第1半導体層154a及び第2半導体層154bを含む。
第1半導体層154aは、ゲート絶縁膜140の真上に位置する下部半導体層である。第1半導体層154aの下部表面は、ゲート絶縁膜140に接し、薄膜トランジスタのチャンネル(channel)が形成される。第1半導体層154aの上部表面は第2半導体層154bに接する。
第2半導体層154bは、第1半導体層154aの上に位置し、ゲート電極124からより遠く離隔する上部半導体層である。第2半導体層154bの下部表面は第1半導体層154aに接するが、これに限定されず、第1半導体層154aと第2半導体層154bとの間に更に他の半導体層(図示せず)が介在してもよい。第2半導体層154bの上部表面の少なくとも一部は、ソース電極173及びドレイン電極175にそれぞれ接する。
第1半導体層154a及び第2半導体層154bは、それぞれ半導体物質を含み、例えばそれぞれ有機半導体物質を含み、例えばそれぞれ低分子有機半導体物質を含む。第1半導体層154a及び第2半導体層154bは、例えば互いに異なる有機半導体物質を含み、例えば互いに異なる低分子有機半導体物質を含む。ここで、低分子有機半導体物質は、約3000以下の平均分子量を有する有機半導体物質である。
第1半導体層154aは第1有機半導体物質を含み、第2半導体層154bは第2有機半導体物質を含む。第1有機半導体物質と第2有機半導体物質との電気化学特性は互いに異なり、例えば第1有機半導体物質の酸化還元電位(redox potential)と第2有機半導体物質の酸化還元電位とは互いに異なり、例えば第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位と第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位とは互いに異なる。
酸化還元電位は、電気化学的にHOMO準位から電子を1個取り除くことに要求されるエネルギーと同じであるため、酸化還元電位からHOMOエネルギー準位が測定される。例えば、一般的に知られている有機物質の酸化還元電位と、測定しようとする有機物質の酸化還元電位とを相対比較してHOMOエネルギー準位を測定し、例えば酸化還元電位の基準物質の一例であるフェロセン/フェロセニウム(ferrocene/ferrocenium、Fc/Fc)のHOMOエネルギー準位4.8eVから測定する。或いは、有機半導体薄膜を製作して紫外光電子分光法(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)を用いてHOMOエネルギー準位を測定することもできる。
一例として、第2有機半導体物質の酸化還元電位は、第1有機半導体物質の酸化還元電位よりも高く、例えば第2有機半導体物質の酸化還元電位は第1有機半導体物質の酸化還元電位よりも約0.1eV以上高く、例えば第2有機半導体物質の酸化還元電位は第1有機半導体物質の酸化還元電位よりも約0.2eV以上高い。
一例として、第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも高く、例えば第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも約0.1eV以上高く、例えば第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも約0.2eV以上高い。
一例として、第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも高く、上記範囲内で第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は約4.8~5.3eVであり、第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は約5.2~5.6eVである。この範囲内で、例えば第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は約4.8~5.2eVであり、第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は約5.2~5.5eVであり、この範囲内で、例えば第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は約4.8~5.1eVであり、第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は約5.2~5.4eVである。
このように上部に位置する第2半導体層154bが比較的に高い酸化還元電位及びHOMOエネルギー準位を有することによって、後続工程における酸化還元反応のような電気化学反応において安定して有機半導体物質の損傷を減らすか又は防止することができ、これにより半導体層154を効果的に保護して高性能薄膜トランジスタを具現することができる。
一例として、第1有機半導体物質の電荷移動度(charge mobility)は、第2有機半導体物質の電荷移動度よりも高い。これにより薄膜トランジスタのチャンネルが形成された第1半導体層154aの電荷移動度を確保して高性能薄膜トランジスタを具現することができる。
一例として、第1有機半導体物質及び第2半導体物質のうちの少なくとも一つは縮合多環ヘテロ芳香族化合物(fused polycyclic heteroaromatic compound)であり、第1有機半導体物質及び第2有機半導体物質のうちの少なくとも一つは、例えば少なくとも一つのO、S、Se、Te、N、又はこれらの組み合わせを含む縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり、例えば少なくとも一つのS、Se、Te、又はこれらの組み合わせを含む縮合多環ヘテロ芳香族化合物である。
一例として、第1有機半導体物質及び第2有機半導体物質は、それぞれ縮合多環ヘテロ芳香族化合物である。第1有機半導体物質及び第2有機半導体物質は、それぞれ、例えば少なくとも一つのO、S、Se、Te、N、又はこれらの組み合わせを含む縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり、例えば少なくとも一つのS、Se、Te、又はこれらの組み合わせを含む縮合多環ヘテロ芳香族化合物である。
一例として、第1有機半導体物質及び第2有機半導体物質が、それぞれ縮合多環ヘテロ芳香族化合物の場合、第1有機半導体物質は第2有機半導体物質の電荷移動度よりも高い縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり、例えば第1有機半導体物質は第2有機半導体物質よりも縮合環の個数が多い。
一例として、第1有機半導体物質は、例えば8個以上の環が互いに結合されたコンパクト(compact)な平面構造を有する縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり、例えば8個、9個、10個、11個、又は12個の環が縮合した縮合多環ヘテロ芳香族化合物である。
第1有機半導体物質は、例えば下記の化学式1A又は1Bで表される。
Figure 0007094166000001
Figure 0007094166000002
上記化学式1A及び1Bにおいて、
Ar及びArは、それぞれ独立に、フェニレン、ナフタレン、又はアントラセンであり、aはAr及びArの炭素に結合する水素の個数に対応し、
~Xは、それぞれ独立に、O、S、Se、Te、又はN-Rであり、ここでRはそれぞれ独立に、水素、置換若しくは非置換のC1~C30アルキル基、置換若しくは非置換のC2~C30アルケニル基、置換若しくは非置換のC2~C30アルキニル基、置換若しくは非置換のC7~C30アリールアルキル基、置換若しくは非置換のC6~C30アリール基、置換若しくは非置換のC1~C30アルコキシ基、置換若しくは非置換のC6~C30アリールオキシ基(-OR、ここでRは置換若しくは非置換のC6~C30のアリール基である)、置換若しくは非置換のC4~C30シクロアルキル基、置換若しくは非置換のC4~C30シクロアルキルオキシ基(-OR、ここでRは置換若しくは非置換のC4~C30のシクロアルキル基である)、置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロアリール基、アシル基(-C(=O)R、ここでRは置換若しくは非置換のC1~C30アルキル基)、スルホニル基(-S(=O)、ここでRは置換若しくは非置換のC1~C30アルキル基)、又はカルバメート基(-NHC(=O)OR、ここでRは置換若しくは非置換のC1~C30アルキル基)であり、
~R13は、それぞれ独立に、水素、置換若しくは非置換のC1~C30アルキル基、置換若しくは非置換のC1~C30アルコキシ基、置換若しくは非置換のC2~C30アルケニル基、置換若しくは非置換のC2~C30アルキニル基、置換若しくは非置換のC6~C30アリール基、置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロアリール基、置換若しくは非置換のC7~C30アリールアルキル基、置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロアリールアルキル基、置換若しくは非置換のC2~C30アルキルヘテロアリール基、置換若しくは非置換のC5~C30シクロアルキル基、又は置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロシクロアルキル基であり、
n1は0又は1であり、
n2及びn3はそれぞれ独立に、0、1、2、又は3であり、
n1が0である場合、n2及びn3は1、2、又は3であり、
n1が1である場合、n1+n2+n3≧2を満足する。
例えば、R及びRは、置換され、例えば置換若しくは非置換のC1~C30アルキル基、置換若しくは非置換のC6~C30アリール基、置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロアリール基、置換若しくは非置換のC7~C30アリールアルキル基、置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロアリールアルキル基、置換若しくは非置換のC2~C30アルキルヘテロアリール基、置換若しくは非置換のC5~C30シクロアルキル基、又は置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロシクロアルキル基である。
例えば、R及びRは、フルオロ置換されたC1~C30アルキル基である。
例えば、Rは、置換若しくは非置換のC10~C30アルキル基、置換若しくは非置換のC10~C30アルコキシ基、置換若しくは非置換のC10~C30のアルケニル基、又は置換若しくは非置換のC10~C30アルキニル基であり、他の例としてフルオロ置換されたC1~C30アルキル基、好ましくはC1~C30パーフルオロアルキル基(C2n+1、ここでnは1以上の整数である)、又はフルオロ置換されたC10~C30アルキル基、好ましくはC10~C30パーフルオロアルキル基(C2n+1、ここでnは10~30の整数である)である。
上記化学式1A及び1Bにおいて、n1が0である場合、n2及びn3は1、2、又は3の整数であり、n1が1である場合、n1+n2+n3≧2を満足し、例えばn1が1である場合、n2及びn3は全て0ではない。第1有機半導体化合物は、このようなコンパクトな平面型の分子構造を有することによって、酸化電位が均一で安定的であるだけでなく、分子間パッキング(packing)及びスタッキング(stacking)にも有利で高い電荷移動度を示す。
また、上記化学式1A又は1Bにおいて、XとX、そしてXとXがそれぞれ互いに対称位置に同じ元素が存在してパッキング又はスタッキング特性を更に良くする。
また、上記化学式1A又は1Bにおいて、ヘテロ環の間に少なくとも一つの結合されたベンゼン環を位置させることによって共役構造の拡張で分子間の相互作用を増加させ、これによって電荷移動度及び熱安定性を向上させる。
また、ベンゼン環の間にヘテロ環をおくことによって、縮合多環ヘテロ芳香族化合物の有機溶媒に対する溶解性を向上させる。
第1有機半導体物質は、例えば約300~約3000の平均分子量を有する。
第1有機半導体物質は、例えば下記化合物であるが、これに限定されるものではない。
Figure 0007094166000003
Figure 0007094166000004
Figure 0007094166000005
Figure 0007094166000006
上記化合物において、それぞれのフェニレン環、チオフェン環、セレノフェン環、及び/又はピロール環の水素は、置換若しくは非置換のC1~C30アルキル基、置換若しくは非置換のC1~C30アルコキシ基、置換若しくは非置換のC2~C30アルケニル基、置換若しくは非置換のC2~C30アルキニル基、置換若しくは非置換のC6~C30アリール基、置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロアリール基、置換若しくは非置換のC7~C30アリールアルキル基、置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロアリールアルキル基、置換若しくは非置換のC2~C30アルキルヘテロアリール基、置換若しくは非置換のC5~C30シクロアルキル基、又は置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロシクロアルキル基で置換される。
一例として、第2有機半導体物質は、例えば8個未満の環が互いに結合された縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり、例えば7個、6個、5個、4個、又は3個の環が縮合した縮合多環ヘテロ芳香族化合物である。
第2有機半導体物質は、例えば下記化学式2A又は2Bで表される。
Figure 0007094166000007
上記化学式2A及び2Bにおいて、
及びXは、それぞれ独立に、O、S、Se、Te、又はN-Rであり、ここでRは、水素、置換若しくは非置換のC1~C12アルキル基、置換若しくは非置換のC6~C30アリールアルキル基、置換若しくは非置換のC6~C30アリール基、置換若しくは非置換のC1~C12アルコキシ基、置換若しくは非置換のC1~C30アシル基、スルホニル基、又はカルバメート基である、
~Rは、それぞれ独立に、水素、置換若しくは非置換のC1~C30アルキル基、置換若しくは非置換のC1~C30アルケニル基、置換若しくは非置換のC1~C30アルキニル基、置換若しくは非置換のC1~C30ヘテロアルキル基、置換若しくは非置換のC6~C30アリールアルキル基、置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロアリールアルキル基、置換若しくは非置換のC5~C20シクロアルキル基、置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロシクロアルキル基、置換若しくは非置換のC6~C30アリール基、又は置換若しくは非置換のC2~C30ヘテロアリール基である。
第2有機半導体物質は、例えば下記化学式2A-1又は2B-1で表される。
Figure 0007094166000008
上記化学式2A-1及び2B-1において、R~Rは上述した通りである。
第2有機半導体物質は、例えば約200~約2000の平均分子量を有する。
第2有機半導体物質は、例えば下記化合物であるが、これに限定されるものではない。
Figure 0007094166000009
第1半導体層154a及び第2半導体層154bは、それぞれ島型(island shape)であり、同時にエッチングして形成されることによって、同じ平面模様を有する。
第1半導体層154a及び第2半導体層154bは、それぞれ独立に、約1nm~5μm厚さを有する。この範囲内で、第1半導体層154a及び第2半導体層54bは、例えば約5nm~3μm、例えば約10nm~2μm、例えば約20nm~1μm、例えば約50nm~500nm厚さを有する。例えば、第1半導体層154aは第2半導体層154bよりも厚い。
半導体層154の上には、ソース電極173及びドレイン電極175が形成される。ソース電極173及びドレイン電極175は半導体層154を中心として向かい合う。ソース電極173は、データ信号を伝達するデータ線(図示せず)に連結される。ソース電極173及びドレイン電極175は、例えば金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、チタニウム(Ti)、これらの合金、又はこれらの組み合わせからなるが、これらに限定されるものではない。ソース電極173及びドレイン電極175は1層又は2層以上である。
以下、上述した薄膜トランジスタの一例による製造方法を説明する。
図2~図10は、図1の薄膜トランジスタの一例による製造方法を示す断面図である。
図2を参照すると、基板110の上にゲート電極用導電層を積層した後、これを写真エッチングしてゲート電極124を形成する。
次に、図3を参照すると、ゲート電極124の上に酸化ケイ素(SiO)、窒化ケイ素(SiNx)、酸化アルミニウム(Al)、又は有機絶縁膜などを積層してゲート絶縁膜140を形成する。選択的に、ゲート絶縁膜140は表面処理される。
次いで、ゲート絶縁膜140の全面に第1半導体薄膜151a及び第2半導体薄膜151bを順次積層する。第1半導体薄膜151aは第1有機半導体物質を含み、第2半導体薄膜151bは第2有機半導体物質を含む。第1有機半導体物質及び第2有機半導体物質は上述した通りである。第1半導体薄膜151a及び第2半導体薄膜151bは、例えば熱蒸着、真空蒸着、又はレーザ蒸着のような蒸着によって形成されるか、或いはスクリーン印刷、プリンティング、インプリンティング、スピンキャスティング、ディッピング、インクジェッティング、ロールコーティング、ドロップキャスティング、スプレーコーティング、又はロールプリンティングのような溶液工程で形成されるが、これに限定されるものではない。
次に、図4を参照すると、第2半導体薄膜151bの上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜50を形成する。フォトレジストは、例えばフッ素系高分子のようなフッ素系化合物を含むフォトレジストであるが、これに限定されるものではない。
次に、図5を参照すると、フォトレジスト膜50の上にマスク(図示せず)を配置して露光した後、現像してフォトレジストパターン50aを形成する。
次に、図6を参照すると、フォトレジストパターン50aをマスクにして第1半導体薄膜151a及び第2半導体薄膜151bを同時にエッチングして、第1半導体層154a及び第2半導体層154bを形成する。この時、エッチングは、例えば乾式エッチングである。次いで、フォトレジストパターン50aを除去する。
次に、図7を参照すると、第2半導体層154bの上にソース及びドレイン電極用導電層170を積層する。ソース及びドレイン電極用導電層170は、例えば金(Au)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、チタニウム(Ti)、これらの合金、又はこれらの組み合わせを含み、1層又は2層以上である。
次に、図8を参照すると、ソース及びドレイン電極用導電層170の上に、フォトレジストを塗布してフォトレジスト膜60を形成する。フォトレジストは、例えばフッ素系高分子のようなフッ素系化合物を含むフッ素系フォトレジストであるが、これに限定されるものではない。
次に、図9を参照すると、フォトレジスト膜60の上にマスク(図示せず)を配置して露光した後、現像してフォトレジストパターン60aを形成する。
次に、図10を参照すると、フォトレジストパターン60aの上にソース及びドレイン電極用導電層170をエッチングするエッチング液(以下、‘エッチング液’という)を供給して、ソース及びドレイン電極用導電層170をエッチングする。
エッチングは、ソース及びドレイン電極用導電層170に含まれる金属を金属陽イオンで酸化させると同時に、エッチング液に含まれる成分を還元させる電気化学反応を含む。例えば、エッチング液が金(Au)エッチング液(I 含み)の場合、エッチングは、Au=Au+eの金属酸化過程とI +2e=3Iのエッチング液還元過程を含む。この時、エッチング液はソース及びドレイン電極用導電層170だけでなく、第2半導体層154bの上部表面とも直接接触するため、第2半導体層154bはエッチング液の酸化反応に対して安定したものが好ましい。
一例として、第2半導体層154bに含まれる第2有機半導体物質の酸化還元電位はエッチング液の酸化還元電位よりも高く、第2半導体層154bに含まれる第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位はエッチング液の酸化還元電位よりも高い。例えば、エッチング液が金(Au)エッチング液(I 含み)の場合、I の酸化還元電位が約5.1eVとすると、第2半導体層154bに含まれる第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は約5.1eVよりも高くい。
一例として、第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、エッチング液の酸化還元電位よりも高く、約5.6eV以下である。例えば、第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は約5.2~5.6eVであり、この範囲内で、例えば約5.2~5.5eVであり、例えば約5.2~5.4eVである。
これにより、エッチング液に露出された第2半導体層154bの酸化を減らすか又は防止することで、半導体層154の損傷を減らすか又は防止することができる。従って、半導体層154の損傷による薄膜トランジスタの漏れ電流を減らし、高性能薄膜トランジスタを具現することができる。
第1半導体層154aは、エッチング液に直接露出されないため、エッチング液の酸化還元電位と関係がないと考えられる。一例として、第1半導体層154aに含まれる第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、高い電荷移動度を満足する値である。例えば、第1半導体層154aに含まれる第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位はエッチング液の酸化還元電位よりも低く、例えば第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は約4.8eV以上であり、エッチング液の酸化電位よりも低い。例えば、第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は約4.8~5.3eVであり、この範囲内で、例えば約4.8~5.2eVであり、約4.8~5.1eVであり、約4.8以上5.1eV未満である。
次に、図1を参照すると、フォトレジストパターン60aを除去してソース電極173及びドレイン電極175を形成する。
本明細書では、薄膜トランジスタの一例としてボトムゲート構造の薄膜トランジスタを説明したが、これに限定されず、全ての構造の薄膜トランジスタに同一に適用される。
薄膜トランジスタは、多様な電子素子にスイッチング素子又は駆動素子として適用され、電子素子は、例えば液晶表示装置、有機発光表示装置、電気泳動表示装置、有機光電素子、有機センサー、及びウェアラブル素子(wearable device)を含む。
以下、実施例を通じて本発明をより詳細に説明する。但し、下記の実施例は単に説明の目的のためのものであり、権利範囲を限定するものではない。
≪薄膜トランジスタの製造≫
〔実施例1〕
SiOが3000Å覆われたシリコンウエハー基板上に下記の化学式Aで表される有機半導体(HOMO:4.9eV)を真空蒸着して500Å厚さの第1半導体薄膜を形成し、その上に下記の化学式Bで表される有機半導体(HOMO:5.3eV)を真空蒸着して100Å厚さの第2半導体薄膜を形成する。次に、第2半導体薄膜の上にフッ素系フォトレジストを塗布して硬化した後、パターニングしてフォトレジストパターンを形成する。次いで、フォトレジストパターンを用いて第2半導体薄膜及び第1半導体薄膜を一度に乾式エッチングして第1半導体層及び第2半導体層を含む半導体層を形成する。その後、フォトレジストパターンを除去する。次いで、第2半導体層の上に金(Au)を蒸着して導電層を形成し、その上にフッ素系フォトレジストを塗布して硬化した後、パターニングしてフォトレジストパターンを形成する。次に、基板をAuエッチング液(Au-10、ユーピーケミカル社、酸化電位5.1eV)に浸漬した後、取り出して導電層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。次いで、フォトレジストパターンを除去して薄膜トランジスタを製造する。
Figure 0007094166000010
〔比較例1〕
第2半導体層を形成せずに、半導体層として上記化学式Aで表される有機半導体を含む第1半導体層のみを含むことを除いて、実施例1と同様の方法で薄膜トランジスタを製造する。
〔評価〕
実施例1及び比較例1による薄膜トランジスタの電荷移動度及び電流特性を評価する。
電荷移動度は、飽和領域(saturation region)の電流式から(ISD1/2とVとを変数としたグラフを得て、その傾きから求められる。
Figure 0007094166000011
上記の式において、ISDはソース-ドレイン電流であり、μ又はμFETは電荷移動度であり、Cはゲート絶縁膜の静電容量であり、Wはチャンネル幅であり、Lはチャンネル長さであり、Vはゲート電圧であり、Vはしきい電圧である。
電流特性は、オン電流(Ion)とオフ電流(Ioff)との比率で評価され、オン電流(Ion)は駆動ゲート電圧とソース-ドレイン電圧とで最大電流値から求められ、オフ電流(Ioff)は正ゲート電圧の駆動時にオフ状態時の電流値から求められる。
その結果は表1のとおりである。
Figure 0007094166000012
表1を参照すると、実施例1による薄膜トランジスタは、比較例1による薄膜トランジスタに比べて、高い電荷移動度及び良好な電流特性を示すことが確認される。
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
50、60 フォトレジスト膜
50a、60a フォトレジストパターン
110 基板
124 ゲート電極
140 ゲート絶縁膜
151 半導体薄膜
151a 第1半導体薄膜
151b 第2半導体薄膜
154 半導体層
154a 第1半導体層
154b 第2半導体層
170 導電層
173 ソース電極
175 ドレイン電極

Claims (19)

  1. ゲート電極と、
    前記ゲート電極に重畳する半導体層と、
    前記半導体層に電気的に連結されたソース電極及びドレイン電極と、を備え、
    前記半導体層は、
    第1有機半導体物質を含む第1半導体層と、
    前記ゲート電極から前記第1半導体層よりも遠く離れて位置して第2有機半導体物質を含む第2半導体層と、を含み、
    前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位と前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位とは、互いに異なり、
    前記第1有機半導体物質は、8個以上の環が縮合した縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり、
    前記第2有機半導体物質は、8個未満の環が縮合した縮合多環ヘテロ環化合物であることを特徴とする薄膜トランジスタ。
  2. 前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
  3. 前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも0.2eV以上高いことを特徴とする請求項2に記載の薄膜トランジスタ。
  4. 前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、4.8~5.3eVであり、
    前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、5.2~5.6eVであることを特徴とする請求項2に記載の薄膜トランジスタ。
  5. 前記第1半導体層の厚さは、前記第2半導体層の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
  6. 前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記第2半導体層の上部表面に接触することを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
  7. 前記ゲート電極と前記半導体層との間に位置するゲート絶縁膜を更に含み、
    前記第1半導体層の下部表面は、前記ゲート絶縁膜に接触することを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
  8. 前記第1半導体層と前記第2半導体層とは、同じ平面模様を有することを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
  9. 前記第1有機半導体物質の電荷移動度は、前記第2有機半導体物質の電荷移動度よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタ。
  10. ゲート電極を形成する段階と、
    半導体層を形成する段階と、
    ソース電極及びドレイン電極を形成する段階と、を有し、
    前記半導体層を形成する段階は、
    第1有機半導体物質を含む第1半導体層を形成する段階と、
    前記第1半導体層の上に第2有機半導体物質を含む第2半導体層を形成する段階と、を含み、
    前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位と前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位とは、互いに異なり、
    前記第1有機半導体物質は、8個以上の環が縮合した縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり、
    前記第2有機半導体物質は、8個未満の環が縮合した縮合多環ヘテロ環化合物であることを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
  11. 前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも高いことを特徴とする請求項10に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  12. 前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位よりも0.2eV以上高いことを特徴とする請求項11に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  13. 前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、4.8~5.3eVであり、
    前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、5.2~5.6eVであることを特徴とする請求項11に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  14. 前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する段階は、前記半導体層を形成する段階後に行われ、
    前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する段階は、
    前記第2半導体層の上に導電層を形成する段階と、
    エッチング液を用いて前記導電層をエッチングする段階と、を含み、
    前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記エッチング液の酸化電位よりも高いことを特徴とする請求項10に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  15. 前記第2有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記エッチング液の酸化電位よりも高く、5.6eV以下であることを特徴とする請求項14に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  16. 前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、前記エッチング液の酸化電位よりも低いことを特徴とする請求項14に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  17. 前記第1有機半導体物質のHOMOエネルギー準位は、4.8eV以上であり、前記エッチング液の酸化電位よりも低いことを特徴とする請求項16に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  18. 前記半導体層を形成する段階は、
    第1半導体層用薄膜を形成する段階と、
    第2半導体層用薄膜を形成する段階と、
    前記第1半導体層用薄膜及び前記第2半導体層用薄膜を一度にエッチングする段階と、を含むことを特徴とする請求項10に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
  19. 請求項1乃至のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタを含むことを特徴とする電子素子。
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