JP7206887B2

JP7206887B2 - 有機薄膜トランジスタおよび電子装置

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Description

本発明は、有機薄膜トランジスタおよび電子装置に関するものである。

薄膜トランジスタは液晶表示装置（ＬＣＤ）、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）表示装置、電子ペーパー表示装置などの、アクティブマトリクス方式の表示装置やセンサーなどに広く使用されている。

薄膜トランジスタに用いられる半導体材料としては、非晶質シリコンや多結晶シリコンあるいは酸化物半導体などを用いたものが主流となっており、これらの半導体材料を用いた薄膜トランジスタは、真空成膜法を用いて成膜した後にフォトリソグラフィ法などによりパターニングを行い製造されることが一般的である。

近年、半導体層として有機材料を用いた有機薄膜トランジスタが注目を集めている。有機薄膜トランジスタにおいては、半導体材料、導電性材料および絶縁性材料などの溶液を塗布・印刷技術などのウェット成膜法を用いることにより、低温でのプラスチック基板上へのデバイス形成、および低コストでのデバイス製造の可能性があることや、印刷法は成膜とパターニングの工程を同時に行うことから、従来のフォトリソグラフィプロセスを用いる真空成膜プロセスと比較して、材料利用効率が高く、現像、エッチング工程を必要としないことから、環境負荷が少ないという点でも期待されている（非特許文献１）。また、有機半導体材料と接する電極が第１の金属および第２の金属からなり、前記第１の金属よりも高い標準電極電位を有する第２の金属材料の層を堆積する構成のトランジスタ作製方法がある（特許文献１）。

特表２０１３－５３４７２６号公報

Ｔ．Ｍｉｎａｒｉ，Ｍ．Ｋａｎｏ，Ｔ．Ｍｉｙａｄｅｒａ，Ｓ．Ｄ．Ｗａｎｇ，Ｙ．Ａｏｙａｇｉ，ａｎｄＫ．Ｔｓｕｋａｇｏｓｈｉ， "Ｓｕｒｆａｃｅｓｅｌｅｃｔｉｖｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｍｏｌｅｃｕｌａｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓｆｏｒｓｏｌｕｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｏｒｇａｎｉｃｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ"，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，９４，０９３３０７（２００９）

有機薄膜トランジスタ素子の有機半導体材料とソース電極およびドレイン電極材料との接続において、半導体材料のＨＯＭＯ（最高被占軌道）エネルギーレベルとソース電極およびドレイン電極に使用されている金属材料の仕事関数の関係とが非常に重要であり、良好な特性の薄膜トランジスタ素子を得るためには、正孔の注入障壁が小さくなるよう、高い仕事関数を有するソース電極およびドレイン電極を用いることが好ましい。

そのため、一般的に良好な素子特性を示す薄膜トランジスタ素子としては、そのソース電極およびドレイン電極の材料として仕事関数が比較的大きい、銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）やなどの貴金属を用いたものがほとんどである。

しかしながら、このような貴金属材料による電極の形成は、材料コストが高いだけでなく、密着性などの観点から、その成膜およびパターニングプロセスの難易度が高く、電極形成が容易であると言い難い。

本発明は、これらの点を鑑みてなされたものであり、現在主流として用いられているシリコン系および酸化物系の薄膜トランジスタ製造にすでに用いられている汎用の金属材料を用い、それらに簡便な処理を施すことで有機薄膜トランジスタに適用可能なソース電極およびドレイン電極とすることで、良好なトランジスタ特性を有し、かつ容易に作製可能な有機薄膜トランジスタおよびそれを用いた電子装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の一局面は、絶縁性の基板と、基板上に少なくともゲート電極と、ゲート絶縁層と、ソース電極と、ドレイン電極と、有機半導体層とを有する有機薄膜トランジスタであって、ソース電極およびドレイン電極はどちらも、第一の金属材料で形成された層および第一の金属材料で形成された層表面の少なくとも一部を覆う第二の金属材料で形成された粒子を含み、第一の金属材料は、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）のうち何れか１つを含み、第二の金属材料は、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうち何れか１つを含み、ソース電極およびドレイン電極パターンの、少なくとも半導体層が接する端部における第一の金属材料で形成された層に対する第二の金属材料で形成された粒子の被覆率が、ソース電極およびドレイン電極の中心部よりも高い、有機薄膜トランジスタである。

また、ソース電極およびドレイン電極は、端部から内側方向に１μｍの領域において、第一の金属材料で形成された層に対する第二の金属材料で形成された粒子の被覆率が５０％以上であってもよい。

また、ソース電極およびドレイン電極の端面の形状が順テーパー形状であってもよい。

また、ソース電極およびドレイン電極は、端面と基板に平行な面とのなす鋭角の角度が８０度以下であってもよい。

また、第二の金属材料は、表面がフッ素を官能基として有する有機化合物分子により覆われていてもよい。

また、本発明の他の局面は、上述の有機薄膜トランジスタを用いた電子装置である。

本発明によれば、良好なトランジスタ特性を有し、かつ容易に作製可能な有機薄膜トランジスタおよびそれを用いた電子装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの概略断面図である。本発明の第２の実施形態に係る有機薄膜トランジスタの概略断面図である。比較例に係る有機薄膜トランジスタの概略断面図である。実施例１、実施例２、および実施例３に係るトランジスタの伝達特性を示す図である。比較例１、および比較例２に係るトランジスタの伝達特性を示す図である。実施例１および実施例２に係るソース電極およびドレイン電極端部のＡＦＭ像である。実施例３に係るソース電極およびドレイン電極端部のＡＦＭ像である。実施例１および実施例３に係るソース電極およびドレイン電極端部の断面プロファイルを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ、説明する。なお各実施の形態において、同一または対応する構成要素については同一の符号を付け、実施の形態の間において重複する説明は省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る有機薄膜トランジスタ１００を示す概略断面図であり、図２は、本発明の第２の実施の形態に係る有機薄膜トランジスタ１０１を示す概略断面図である。なお、図１、図２には、概略断面図の点線で囲んだ領域を拡大した拡大図も示している。

有機薄膜トランジスタ１００、１０１は、絶縁性の基板１と、ゲート電極２と、ゲート絶縁層３と、ソース電極４と、ドレイン電極５と、半導体層６とを少なくとも備えている。

図１に示すように、有機薄膜トランジスタ１００は、基板１上にゲート電極２が形成されており、ゲート電極２上にゲート絶縁層３が形成されており、ゲート絶縁層３上にソース電極４およびドレイン電極５、そして半導体層６が形成されている。

図２に示すように、有機薄膜トランジスタ１０１は、基板１上にソース電極４、ドレイン電極５、および半導体層６が形成され、その上にゲート絶縁層３が形成されており、ゲート絶縁層３上にゲート電極２が形成されている。

ソース電極４およびドレイン電極５は、それぞれ第一の金属材料４ａ、５ａおよび第二の金属材料４ｂ、５ｂを含み、第一の金属材料４ａ、５ａにより形成される層の上を粒子状の第二の金属材料４ｂ、５ｂが覆っており、図１、図２の拡大図に示すように、第二の金属材料４ｂ、５ｂの被覆率は電極パターンの少なくとも半導体層６が接する端部の方が中心部よりも高くなっている。なお、以下の説明では、第一の金属材料４ａ、５ａにより形成される層は、単に第一の金属材料４ａ、５ａと呼ぶ。また、第二の金属材料４ｂ、５ｂにより形成される粒子や層も、単に第二の金属材料４ｂ、５ｂと呼ぶ。

ソース電極４、ドレイン電極５をこのように構成することで、高い仕事関数を有するソース電極４およびドレイン電極５とすることが可能であり、正孔の注入障壁が小さくなるため、良好な特性の薄膜トランジスタ素子を得ることができる。また、第二の金属材料４ｂ、５ｂを粒子状に形成することで、ソース電極４、ドレイン電極５の表面に凹凸を設けることができる。このため、ソース電極４、ドレイン電極５の表面積が大きくなり、半導体層６との接触面積を大きくすることができ、凹凸により半導体層６の印刷性および密着性を向上させることができる。

有機薄膜トランジスタ１００と有機薄膜トランジスタ１０１との相違点は、ゲート電極２およびゲート絶縁層３が半導体層６の下層に配置されるか、上層に配置されるかの違いである。

また、有機薄膜トランジスタ１００および有機薄膜トランジスタ１０１には、半導体保護層（図示せず）を設けることが可能である。

さらに有機薄膜トランジスタ１００および１０１を用いて、画像表示装置やセンサーなどの電子装置とする際には、図示しない層間絶縁膜や画素電極、センサー電極、対向電極、第２の基板などを設けることにより電子装置とすることができるが、作製する電子装置の種類により、これらの構造は適宜変更することができる。

以下、有機薄膜トランジスタ１００および有機薄膜トランジスタ１０１の各構成要素について、有機薄膜トランジスタ１００の製造方法を例にして説明する。

初めに、基板１を準備する。基板１の材料としては、ポリカーボネート、ポリエチレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、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、シクロオレフィンポリマー、トリアセチルセルロース、ポリビニルフルオライドフィルム、エチレン－テトラフルオロエチレン共重合樹脂、耐候性ポリエチレンテレフタレート、耐候性ポリプロピレン、ガラス繊維強化アクリル樹脂フィルム、ガラス繊維強化ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、ガラス、石英ガラスなどを使用することができるが、これらに限定されるものではない。これらは単独で使用してもよいが、２種以上を積層した複合の基板１として使用することもできる。

基板１が有機物フィルムである場合は、有機薄膜トランジスタ１００、１０１の耐久性を向上させるために透明のガスバリア層（図示せず）を形成することもできる。ガスバリア層の材料としては酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化珪素（ＳｉＯ）、窒化珪素（ＳｉＮ）、酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）およびダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、これらのガスバリア層は２層以上積層して使用することもできる。ガスバリア層は有機物フィルムを用いた基板１の片面だけに形成してもよいし、両面に形成しても構わない。ガスバリア層は真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ホットワイヤーＣＶＤ法およびゾル－ゲル法などを用いて形成することができるが本発明ではこれらに限定されるものではない。

次に、基板１上に、ゲート電極２を形成する。ゲート電極２、ソース電極４、ドレイン電極５は、電極部分と配線部分とが明確に分かれている必要はなく、以下では特に各有機薄膜トランジスタ１００、１０１の構成要素として電極と呼称している。

ゲート電極２には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）などの金属材料や、酸化インジウム（ＩｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）などの導電性金属酸化物材料を用いることができるが、これらに限定されるものではない。これらの材料は単層で用いても構わないし、積層および合金として用いても構わない。

ゲート電極２の形成には、真空蒸着法、スパッタ法などの真空成膜法や、導電性材料の前駆体などを使用するゾル－ゲル法やナノ粒子を使用する方法、それらをインク化して、スクリーン印刷、凸版印刷、インクジェット法などのウェット成膜法で形成する方法などが使用できるが、これらに限定されず、公知一般の方法を用いることができる。パターニングは、例えばフォトリソグラフィ法を用いてパターン形成部分をレジストなどにより保護し、エッチングによって不要部分を除去して行うこともできるし、印刷法などを用いて直接パターニングすることもできるが、これについてもこれらの方法に限定されず、公知一般のパターニング方法を用いることができる。

次に、ゲート電極２上にゲート絶縁層３を形成する。ゲート絶縁層３は、ゲート電極２と、ソース電極４およびドレイン電極５などの電極とを電気的に絶縁するために、少なくともゲート電極２上に設けられるが、ゲート電極２の外部およびその他の電極との接続に使用される配線部を除いて基板１上の全面に設けても良い。

ゲート絶縁層３には、酸化珪素（ＳｉＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化イットリウム（ＹＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）などの酸化物系絶縁材料や窒化珪素（ＳｉＮｘ）、酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）や、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のポリアクリレート、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）などの有機系絶縁材料などを使用することができるが、これらに限定されるものではない。これらは単層または２層以上積層してもよいし、無機系－有機系のハイブリッド薄膜としても良いし、成長方向に向けて組成を傾斜したものでも構わない。また、ゲート絶縁層３の表面に自己組織化単分子膜などによる表面処理を施し、ゲート絶縁層３の表面エネルギーを制御することもできる。

ゲート絶縁層３は、有機薄膜トランジスタ１００、１０１におけるリーク電流を抑えるために、その抵抗率が１０^１１Ωｃｍ以上、より好ましくは１０^１４Ωｃｍ以上であることが望ましい。

次に、ソース電極４およびドレイン電極５を形成する。ソース電極４およびドレイン電極５は、それぞれ離間して形成されており、ソース電極４とドレイン電極５とをそれぞれ別の工程および別の材料で形成しても良いが、ゲート絶縁層３上の同層に形成される場合には、ソース電極４およびドレイン電極５を同時に形成することが好ましい。

ソース電極４およびドレイン電極５は、少なくとも第一の金属材料４ａ、５ａおよび第二の金属材料４ｂ、５ｂからなり、第二の金属材料４ｂ、５ｂは第一の金属材料４ａ、５ａよりも標準電極電位が大きい金属材料からなり、第一の金属材料４ａ、５ａ上に粒子状に形成される。

ソース電極４およびドレイン電極５の第二の金属材料４ｂ、５ｂは、半導体層６との接触抵抗値を低減し、良好なトランジスタ特性を得るため、ソース電極４およびドレイン電極５の少なくとも半導体層６が接する端部における第二の金属材料４ｂ、５ｂの被覆率がソース電極４およびドレイン電極５の中心部（端部以外の領域）よりも高く形成されている。特に、ソース電極４およびドレイン電極５のパターン端部から１μｍの領域においては、ソース電極４およびドレイン電極５と半導体層６とが接するため、第二の金属材料４ｂ、５ｂの被覆率が５０％以上であることが好ましい。

また、第二の金属材料４ｂ、５ｂで被覆されているソース電極４およびドレイン電極５の端面（傾斜面）の形状は、半導体層６の印刷性や素子特性の観点から、図１、図２の拡大図に示すように順テーパー形状で形成される。これにより、順テーパー形状を備えない場合と比較して、ソース電極４およびドレイン電極５のそれぞれと半導体層６とが接する面積を広くできるため、より確実にソース電極４およびドレイン電極５と半導体層６とを接続することができる。その端面形状については、順テーパー形状の角度である傾斜角θ（ソース電極４の端面と基板１に平行な面とがなす鋭角およびドレイン電極５の端面と基板１に平行な面とがなす鋭角の角度）が０度より大きく８０度以下であることが好ましい。

（被覆率の測定）
被覆率の測定には、（株）日立ハイテクサイエンス製の走査型プローブ顕微鏡（ＡＦＭ５４００Ｌ）を用いて行った。上記第二の金属材料４ｂ、５ｂで形成された金属粒子が存在する、ドレイン電極５、ソース電極４の任意の表面を測定することで、第一の金属材料４ａ、５ａ上に形成された第二の金属材料４ｂ、５ｂの被覆率を算出した。具体的には、走査型プローブ顕微鏡の視野全体にドレイン電極５、ソース電極４の例えば、１μｍ四方～５μｍ四方程度を捉えて電極表面を測定した平面画像を２値化することで算出することが可能である。例えば、金属粒子を白、金属粒子のない部分を黒とし、それぞれの面積を算出する。
２値化については、例えば第一の金属材料４ａ、５ａ表面の高さを基準として、第一の金属材料４ａ、５ａ表面より高い部分を金属粒子として認識させるという２値化を行うことができる。走査型プローブ顕微鏡では、このような解析を行うソフトを備えているものがあり、利用することが可能である。
このようにして、金属粒子（第二の金属材料４ｂ、５ｂ）のある部分の面積を算出できる。

上記の金属粒子のある部分（２値化で白としての部分）の面積を、顕微鏡視野中に捉えた電極全体の面積で割ることで、第二の金属材料４ｂ、５ｂによる、第一の金属材料４ａ、５ａの被覆率とする。具体的には、次の式で求められる。
被覆率（％）＝金属粒子のある部分の面積／顕微鏡視野全体の面積×１００

（テーパー角の測定）
テーパー角の測定としては、被覆率の測定と同様の走査型プローブ顕微鏡で観察する方法や、集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置で加工して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で断面を観察する方法などによって測定することができる。走査型プローブ顕微鏡においては、ソース電極４またはドレイン電極５の電極端部が測定領域に入るように測定を行い、その高さ情報より、断面プロファイルを算出し、電極の下端面と上端面の位置をもとに、その角度を算出することができる。また、ＦＩＢ装置においては、ソース電極４またはドレイン電極５の端部の領域をガリウム（Ｇａ）のイオンビームによって切削し、その断面をＳＥＭで観察することで、テーパー角を測定することが可能である。

ソース電極４およびドレイン電極５を形成する第一の金属材料４ａ、５ａは、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）のうち何れか１つを主成分とする導電性材料を用いることができる。こられは単体で使用しても構わないし、複数材料を混合した合金として使用してもよい。
ソース電極４およびドレイン電極５を形成する第二の金属材料４ｂ、５ｂは、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうち何れか１つから形成される。

ソース電極４およびドレイン電極５の形成には、真空蒸着法、スパッタ法などの真空成膜法や、導電性材料の前駆体などを使用するゾル－ゲル法やナノ粒子を使用する方法、それらをインク化して、スクリーン印刷、凸版印刷、インクジェット法などのウェット成膜法で形成する方法などが使用できるが、これらに限定されず、公知一般の方法を用いることができる。パターニングは、例えばフォトリソグラフィ法を用いてパターン形成部分をレジストなどにより保護し、エッチングによって不要部分を除去して行うこともできるし、印刷法などを用いて直接パターニングすることもできるが、これについてもこれらの方法に限定されず、公知一般のパターニング方法を用いることができる。

ソース電極４およびドレイン電極５の第一の金属材料４ａ、５ａおよび第二の金属材料４ｂ、５ｂについては、第一の金属材料４ａ、５ａを成膜した後に第二の金属材料４ｂ、５ｂを成膜して、同時にパターニングする方法や、第一の金属材料４ａ、５ａのパターンを形成した後に第二の金属材料４ｂ、５ｂを第一の金属材料４ａ、５ａ上に析出させる方法や、第一の金属材料４ａ、５ａパターン上に第二の金属材料４ｂ、５ｂを局所的に印刷する方法、第一の金属材料４ａ、５ａのパターンを形成した後に、第二の金属材料４ｂ、５ｂを成膜しパターニングする方法などによって形成することができるが、有機薄膜トランジスタ製造の難易度の観点から鑑みて、第一の金属材料４ａ、５ａ上に第二の金属材料４ｂ、５ｂを析出させる方法を用いることが好ましい。

特に、第一の金属材料４ａ、５ａ上に第二の金属材料４ｂ、５ｂを析出させる処理においては、第一の金属材料４ａ、５ａを形成した基板を、第二の金属材料４ｂ、５ｂのイオンを含有する溶液を用いて浸漬やシャワーなどの方法で処理することで第二の金属材料４ｂ、５ｂの析出処理を行う方法が好適に用いられる。この際、第二の金属材料４ｂ、５ｂの被覆率は、第二の金属材料４ｂ、５ｂのイオンを含有する溶液の濃度や添加剤、浸漬時間を適宜調節することにより制御することが可能である。

傾斜角θを備えるソース電極４およびドレイン電極５は、特に限定されないが、例えば、パターニングにより傾斜角θを備える第一の金属材料４ａ、５ａを形成することにより得ることができる。また、エッチング液の組成を変化させてエッチングレートを調整することによっても傾斜角θを得ることができる。さらに、第二の金属材料４ｂ、５ｂの被覆率を高くすることによっても傾斜角θを形成することができ、この場合、被覆率の増加にともない傾斜角θが小さくなる傾向がある。なお、これらの方法を適宜組み合せて用いてもよい。

また、ソース電極４およびドレイン電極５の第二の金属材料４ｂ、５ｂ上には、半導体層６との電気的接続における接触抵抗をさらに低下させるために、表面処理を好適に用いることができる。具体的には、第二の金属材料４ｂ、５ｂが形成されたソース電極４およびドレイン電極５表面に自己組織化単分子膜（ＳＡＭ：Ｓｅｌｆ－Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ－Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）のような分子膜を形成することにより、ソース電極４およびドレイン電極５表面の仕事関数を増加させることが可能であり、その仕事関数は、好ましくは５．１ｅＶ以上、さらに好ましくは５．３ｅＶ以上であることが望ましい。

ソース電極４およびドレイン電極５の仕事関数の測定については、紫外光電子分光法（ＵＰＳ）や大気中光電子分光法など公知一般の方法を用いることが可能であるが、本発明の実施の形態にかかるパターニング済のソース電極４およびドレイン電極５はパターンサイズが小さく、仕事関数を直接測定することが困難な場合があるため、その際は別途同様の構成を有する測定用基板を用いて測定を実施し、その代替とすることができる。

ソース電極４およびドレイン電極５の第二の金属材料４ｂ、５ｂの表面処理に用いるＳＡＭ材料には、第二の金属材料４ｂ、５ｂの表面と接触する部位がチオール基またはジスルフィドなどの硫黄を含む化合物を好適に用いることが可能である。また、ＳＡＭ材料が半導体材料と接触する部位は、フルオロアルキル基や芳香族フッ素化合物などのフッ素を官能基として有している有機化合物分子を好適に用いることができる。

また、ソース電極４およびドレイン電極５の第一の金属材料４ａ、５ａ上の第二の金属材料４ｂ、５ｂに覆われていない部分にも、自己組織化単分子膜や酸化処理などの表面処理を施し、分子膜によって被覆された第一の金属材料４ａ、５ａとしてもよいし、表面に第一の金属材料４ａ、５ａの酸化膜を有する状態とすることもできる。

次に、ソース電極４およびドレイン電極５を接続するように、ソース電極４とドレイン電極５との間に半導体層６が形成される。ソース電極４およびドレイン電極５を半導体層６で接続し、有機薄膜トランジスタとして機能する半導体層６の領域をチャンネル領域と呼称することが一般的であり、本発明においてもこのような名称を使用することがある。

半導体層６には、ペンタセン、およびそれらの誘導体のような低分子半導体やポリチオフェン、ポリアリルアミン、フルオレンビチオフェン共重合体、およびそれらの誘導体のような高分子有機半導体材料などを用いることがきるが、これらに限定されるものではない。

半導体層６は、有機半導体材料を溶解または分散させた溶液をインクとして用いる凸版印刷、スクリーン印刷、インクジェット法、ノズルプリンティングなどのウェット成膜方法で形成することもできるし、有機半導体材料の粉末や結晶を真空状態で蒸着する方法などで形成することもできる。半導体層６は、これらに限定されるものではなく、公知一般の方法を使用することも可能である。

この際、第二の金属材料４ｂ、５ｂで被覆されたソース電極４およびドレイン電極５の端部が順テーパー形状で形成されていることにより、ソース電極４およびドレイン電極５と半導体６を確実に接続することができる。

有機薄膜トランジスタ１００の素子特性を良好に保つために、半導体層６上には、半導体保護層を形成することができる。特に半導体層６上に何らかの材料を積層する際には、半導体保護層を形成することが好ましい。

半導体保護層は、有機薄膜トランジスタ素子の動作に影響を及ぼさないよう前記ゲート絶縁層３で示したような絶縁性の材料を用いて形成することが好ましい。具体的には、その抵抗率が１０^１１Ωｃｍ以上、より好ましくは１０^１４Ωｃｍ以上であることが望ましい。

有機薄膜トランジスタ１００および有機薄膜トランジスタ１０１を用いて画像表示装置やセンサー素子などの電子装置とする際は、上記以外の絶縁層、電極、対向基板などが適宜形成される。これらの材料については、特に限定されないが、絶縁層においては、ゲート絶縁層３と同様に形成しても良いし、電極については、ゲート電極２と同様に形成することが可能である。また、対向基板においても基板１と同様のものを使用することができるが、この限りではない。

有機薄膜トランジスタ１００および有機薄膜トランジスタ１０１を用いた電子装置が画像表示装置である場合は、その表示要素として、液晶、電気泳動粒子、または電気泳動粒子を含んだマイクロカプセルや有機エレクトロルミネッセンスなどが使用できる。画像表示装置においては、反射型、透過型のどちらに限定されることなく、これら公知一般の表示要素を使用することが可能である。また、使用する表示要素によっては、１画素内に有機薄膜トランジスタ１００、１０１を複数設置する構成を利用することも可能である。

また、有機薄膜トランジスタ１００および有機薄膜トランジスタ１０１を用いた電子装置がセンサー素子である場合は、センサー活性層として、温度や圧力に反応する材料を有機薄膜トランジスタの任意の電極に接続しても良いし、有機薄膜トランジスタの任意の電極に自己組織膜などによる官能膜を形成し、生体分子や金属イオンなどに反応する電極として利用することも可能である。

（実施例１）
実施例１として、図１に示す有機薄膜トランジスタ１００を作製した。

基板１として厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラスを使用した。基板１上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いてモリブデン（Ｍｏ）合金を２００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングを行った。具体的には、感光性ポジ型フォトレジストを塗布後、マスク露光、アルカリ現像液による現像を行い、所望の形状のレジストパターンを形成した。さらにエッチング液によりエッチングを行い、不要なＭｏ合金を溶解させた。その後、レジスト剥離液によりフォトレジストを除去し、所望の形状のゲート電極２を形成した（以下、このようなパターニング方法をフォトリソグラフィ法として省略する）。

ゲート電極２を形成した基板上に、スリットコート法を用いて光硬化性アクリル樹脂を塗布し、マスク露光、アルカリ現像液による現像を行い、その後１５０℃で焼成し、ゲート絶縁層３を形成した。焼成後におけるゲート絶縁層の膜厚は、１μｍとした。

ゲート絶縁層３を形成した基板に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ｍｏ合金を１００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングし、第一の金属材料４ａ、５ａを形成した。

その後、第一の金属材料４ａ、５ａを形成した基板を金属量として濃度１ｍｍｏｌ／ＬのＡｇイオンを含む水溶液に添加剤を加えた溶液に浸漬し、第一の金属材料４ａ、５ａ上にそれぞれ第二の金属材料４ｂ、５ｂである銀（Ａｇ）を析出させ、ソース電極４およびドレイン電極５を形成した。なお、Ａｇを析出したソース電極４およびドレイン電極５のパターン端部のテーパー角を測定したところ、その角度は３０～４０度であった。

その後、ソース電極４およびドレイン電極５を形成した基板を濃度１ｍｍｏｌ／Ｌに調整したペンタフルオロベンゼンチオールのイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）溶液に浸漬した後、ＩＰＡで洗浄し、ソース電極４およびドレイン電極５上に表面処理を行った。

続いて、ソース電極４およびドレイン電極５を形成した基板に、有機半導体材料として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）を０．１重量％濃度で溶解させたメシチレン溶液をインクジェット法により塗布、パターニングし、半導体層６を形成した。

半導体層６を形成した基板に、フッ素樹脂材料Ｃｙｔｏｐ（旭硝子製）をインクジェット法により塗布、パターニングし、半導体保護層（図示せず）を形成し、実施例１に係る有機薄膜トランジスタ１００を作製した。

（実施例２）
実施例２として、図２に示す有機薄膜トランジスタ１０１を作製した。

基板１として厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラスを使用した。基板１上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ｍｏ合金を１００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングし、第一の金属材料４ａ、５ａを形成した。

続いて、第一の金属材料４ａ、５ａを形成した基板を金属量として濃度１ｍｍｏｌ／ＬのＡｇイオンを含む水溶液に添加剤を加えた溶液に浸漬し、第一の金属材料４ａ、５ａ上にそれぞれ第二の金属材料４ｂ、５ｂである銀（Ａｇ）を析出させ、ソース電極４およびドレイン電極５を形成した。なお、Ａｇを析出したソース電極４およびドレイン電極５のパターン端部のテーパー角を測定したところ、その角度は、３０～４０度であった。

ソース電極４およびドレイン電極５を形成した基板を、濃度１ｍｍｏｌ／Ｌに調整したペンタフルオロベンゼンチオールのイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）溶液に浸漬した後、ＩＰＡで洗浄し、ソース電極４およびドレイン電極５上に表面処理を行った。

その後、ソース電極４およびドレイン電極５を形成した基板に、有機半導体材料としてＴＩＰＳ－ペンタセンを０．１重量％濃度で溶解させたメシチレン溶液をインクジェット法により塗布、パターニングし、半導体層６を形成した。

半導体層６を形成した基板に、フッ素樹脂材料Ｃｙｔｏｐ（旭硝子製）をインクジェット法により塗布、パターニングし、半導体保護層（図示せず）を形成した。

その後、スリットコート法を用いて光硬化性アクリル樹脂を塗布し、マスク露光、アルカリ現像液による現像を行い、その後１５０℃で焼成し、ゲート絶縁層３を形成した。焼成後におけるゲート絶縁層の膜厚は、１μｍとした。

続いて、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ｍｏ合金を２００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングし、ゲート電極２を形成し、本発明の実施例２に係る有機薄膜トランジスタ１０１を形成した。

（実施例３）
基板１として厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラスを使用した。基板１上に、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いてモリブデン（Ｍｏ）合金を２００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングし、所望の形状のゲート電極２を形成した。

その後、第一の金属材料４ａ、５ａを形成した基板を金属量として濃度０．１ｍｍｏｌ／ＬのＡｇを含む水溶液に浸漬し、第一の金属材料４ａ、５ａ上にそれぞれ第二の金属材料４ｂ、５ｂである銀（Ａｇ）を析出させ、ソース電極４およびドレイン電極５を形成し、ソース電極４およびドレイン電極５とした。なお、Ａｇを析出したソース電極４およびドレイン電極５のパターン端部のテーパー角を測定したところ、その角度は、７０～８０度であった。また、ソース電極４およびドレイン電極５における第二の金属材料４ｂ、５ｂの被覆率が実施例１よりも低くなった。なお、実施例３に係る有機薄膜トランジスタのソース電極４およびドレイン電極５の半導体層６側の端部における第二の金属材料４ｂおよび５ｂの被覆率被覆率は、約５０％であった。

続いて、ソース電極４およびドレイン電極５を形成した基板に、有機半導体材料としてＴＩＰＳ－ペンタセンを０．１重量％濃度で溶解させたメシチレン溶液をインクジェット法により塗布、パターニングし、半導体層６を形成し、実施例３に係る有機薄膜トランジスタ１００を作製した。

（比較例１）
比較例１として、図３に示す有機薄膜トランジスタ２００を作製した。
基板２１として厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラスを使用した。基板２１上に、Ｍｏ合金を２００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングし、ゲート電極２２を形成した。

ゲート電極２２を形成した基板上に、スリットコート法を用いて光硬化性アクリル樹脂を塗布し、マスク露光、アルカリ現像液による現像を行い、その後１５０℃で焼成し、ゲート絶縁層２３を形成した。焼成後におけるゲート絶縁層の膜厚は、１μｍとした。

ゲート絶縁層２３を形成した基板に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ｍｏ合金を１００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングし、ソース電極２４およびドレイン電極２５を形成した。

その後、有機半導体材料としてＴＩＰＳ－ペンタセンを０．１重量％濃度で溶解させたメシチレン溶液をインクジェット法により塗布、パターニングし、半導体層２６を形成し、比較例１に係る有機薄膜トランジスタ２００を作製した。

（比較例２）
比較例２として、図３に示す有機薄膜トランジスタ２００を作製した。
基板２１として厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラスを使用した。基板２１上に、Ｍｏ合金を２００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングし、ゲート電極２２を形成した。

ゲート絶縁層２３を形成した基板に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、Ａｕを１００ｎｍの膜厚で成膜し、フォトリソグラフィ法により所望の形状にパターニングし、ソース電極２４およびドレイン電極２５を形成した。

その後、ソース電極２４およびドレイン電極２５を形成した基板を濃度１ｍｍｏｌ／Ｌに調整したペンタフルオロベンゼンチオールのイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）溶液に浸漬した後、ＩＰＡで洗浄し、ソース電極２４およびドレイン電極２５上に表面処理を行った。

その後、有機半導体材料としてＴＩＰＳ－ペンタセンを０．１重量％濃度で溶解させたメシチレン溶液をインクジェット法により塗布、パターニングし、半導体層２６を形成し、比較例２に係る有機薄膜トランジスタ２００を作製した。

以上の工程により、実施例１～３および比較例１、２に係る有機薄膜トランジスタを作製した。実施例１においては、ゲート絶縁層３上に形成された第一の金属材料４ａ、５ａと、それぞれ第一の金属材料４ａ、５ａを覆うように形成された第二の金属材料４ｂ、５ｂとを含むソース電極４およびドレイン電極５を有するボトムゲート型・ボトムコンタクト構造の有機薄膜トランジスタ１００を作製した。実施例１では、ソース電極４およびドレイン電極５は、中心部に比べて端部における第二の金属材料４ｂおよび５ｂの被覆率が高くなるように形成した。

また、実施例２においては、基板１上に、第一の金属材料４ａ、５ａと、それぞれ第一の金属材料４ａ、５ａを覆うように形成された第二の金属材料４ｂ、５ｂとを含むソース電極４およびドレイン電極５を有するトップゲート型・ボトムコンタクト構造の有機薄膜トランジスタ１０１を作製した。実施例２では、ソース電極４およびドレイン電極５は、中心部に比べて端部における第二の金属材料４ｂおよび５ｂの被覆率が高くなるよう形成した。

実施例３と実施例１との相違は、実施例３のソース電極４およびドレイン電極５における第二の金属材料４ｂ、５ｂの被覆率が全体的に実施例１よりも低い点と、実施例３のソース電極４およびドレイン電極５の端部におけるテーパー角が実施例１よりも大きい点である。なお、実施例３においても、ソース電極４およびドレイン電極５は、中心部に比べて端部における第二の金属材料４ｂおよび５ｂの被覆率が高くなるように形成した。

また、比較例１と実施例１との相違は、比較例１が、ソース電極２４およびドレイン電極２５の材料としてＭｏ合金のみを用いて第二の金属材料４ｂ、５ｂを形成しなかった点、および表面処理を行わなかった点である。また、比較例２と実施例１との相違は、比較例２が、ソース電極２４およびドレイン電極２５の材料として金（Ａｕ）のみを用い第二の金属材料４ｂ、５ｂを形成しなかった点である。

図４は、本発明の実施例１、２に係る有機薄膜トランジスタの伝達特性の図であり、Ｖｇｓはゲート電極－ソース電極間の電圧を、Ｉｄｓはドレイン電極－ソース電極間の電流を示している。なお、伝達特性の測定には半導体パラメーターアナライザーＢ１５００Ａ（アジレント・テクノロジー製）を用いた。また、図５は、本発明の比較例１～３に係る有機薄膜トランジスタの伝達特性の図である。

図６は、本発明の実施例１に係るソース電極４ないしドレイン電極５の端部をＡＦＭで観察したＡＦＭ像であり、電極端部において、第二の電極材料４ｂないし５ｂとして形成したＡｇの被覆率が高くなっていることが分かる。一方、図７は本発明の実施例３のソース電極４ないしドレイン電極５の端部のＡＦＭ像であり、図６の本発明の実施例１に係るソース電極４ないしドレイン電極５の観察結果と比較すると、電極端部におけるＡｇの被覆率が低くなっていることが分かる。

また、図８はＡＦＭ測定結果より抽出した実施例１および実施例３に係るソース電極４ないしドレイン電極５の端部の断面プロファイルである。実施例１と実施例３の電極の端部（図８において「Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ［ｎｍ］」が、０ｎｍ近くから増加し始める位置）のテーパー角を見ると、実施例１は実施例３に比べて、なだらかになっており、実施例３は電極端部の角度が急峻になっている。

表１は、本発明の実施例１、実施例２、比較例１、比較例２、および実施例３の有機薄膜トランジスタの特性値を抜き出し、それぞれ比較するものである。トランジスタ特性については、伝達特性の測定結果から、オン電流については、Ｖｇｓ＝－３０Ｖにおけるドレイン電流の値（Ｉｄｓ）を、しきい値（Ｖｔ）については、ＭＯＳＦＥＴにおける飽和領域のドレイン電流の式である式１（数１参照）を平方根とした式２（数２参照）を元に算出した。

移動度については、式２をＶｇｓで微分し、２乗した式３（数３参照）から算出した。ここで、Ｗ，Ｌはそれぞれ薄膜トランジスタのチャネル幅およびチャネル長を表しており、Ｃｉはゲート絶縁層の単位面積当たりの容量、μはキャリア移動度である。これらの結果から、実施例１および実施例２において、特に良好な特性を示す有機薄膜トランジスタが作製可能であることが示されている。また、実施例３においては、実施例１と比較して特性が若干劣っているものの、良好な特性を示す有機薄膜トランジスタが作製可能であることが確認された。この差は、実施例３において、実施例１と比較して、ソース電極４およびドレイン電極５の端部における第二の電極材料４ｂ、５ｂの被覆率が低く、テーパー角が大きいことが原因であると言える。一方、本発明の比較例１においては、十分な特性が得られておらず、比較例２においては、良好な特性が得られているものの、そのソース電極およびドレイン電極にはＡｕを用いており、その作製コストが非常に高価となり、実用化が困難であることは容易に想像できる。

これらの結果から、現在主流として用いられているシリコン系および酸化物系の有機薄膜トランジスタ製造にすでに用いられている汎用の金属材料を用い、それらに簡便な処理を施すことで有機薄膜トランジスタに適用可能なソース電極およびドレイン電極とし、容易に作製可能かつ、良好なトランジスタ特性を有する有機薄膜トランジスタ１００および１０１を形成することができた。

いずれの実施例においても、Ａｇ、Ａｕ、およびＰｔなどの貴金属材料の真空成膜およびフォトリソパターニングを行うことなく、現在広く普及しているフォトリソグラフィ装置による汎用金属材料による電極形成と、簡便な処理法により、有機半導体との良好な接触抵抗値を有するソース電極およびドレイン電極の作製が可能となった。

したがって、本発明によれば、良好なトランジスタ特性を有し、かつ容易に作製可能な有機薄膜トランジスタおよびそれを用いた電子装置を提供することが可能である。

本発明は、画像表示装置、また各種センサーなどに好適に利用可能である。

１基板
２ゲート電極
３ゲート絶縁層
４ソース電極
５ドレイン電極
６半導体層
４ａ、５ａ第一の金属材料
４ｂ、５ｂ第二の金属材料
１００、１０１有機薄膜トランジスタ

Claims

絶縁性の基板と、前記基板上に少なくともゲート電極と、ゲート絶縁層と、ソース電極と、ドレイン電極と、有機半導体層とを有する有機薄膜トランジスタであって、
前記ソース電極およびドレイン電極はどちらも、第一の金属材料で形成された層および前記第一の金属材料で形成された層表面の少なくとも一部を覆う第二の金属材料で形成された粒子を含み、
前記第一の金属材料は、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）のうち何れか１つを含み、
前記第二の金属材料は、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）のうち何れか１つを含み、
前記ソース電極およびドレイン電極パターンの、少なくとも前記半導体層が接する端部における前記第一の金属材料で形成された層に対する前記第二の金属材料で形成された粒子の被覆率が、前記ソース電極およびドレイン電極の中心部よりも高い、有機薄膜トランジスタ。
前記ソース電極およびドレイン電極は、前記端部から内側方向に１μｍの領域において、前記第一の金属材料で形成された層に対する前記第二の金属材料で形成された粒子の被覆率が５０％以上である、請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
前記ソース電極およびドレイン電極の端面の形状が順テーパー形状である、請求項１または２に記載の有機薄膜トランジスタ。
前記ソース電極およびドレイン電極は、前記端面と前記基板に平行な面とのなす鋭角の角度が８０度以下である、請求項３に記載の有機薄膜トランジスタ。
前記第二の金属材料は、表面がフッ素を官能基として有する有機化合物分子により覆われている、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタ。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の有機薄膜トランジスタを用いた電子装置。