JPH08228034A - 有機薄膜トランジスタ装置 - Google Patents

有機薄膜トランジスタ装置

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JPH08228034A
JPH08228034A JP7345004A JP34500495A JPH08228034A JP H08228034 A JPH08228034 A JP H08228034A JP 7345004 A JP7345004 A JP 7345004A JP 34500495 A JP34500495 A JP 34500495A JP H08228034 A JPH08228034 A JP H08228034A
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Ananth Dodabalapur
ドダバラプア アナンス
Robert Cort Haddon
コート ハッドン ロバート
Edan Katz Howard
エダン カッツ ハワード
Luisa Torsi
トーシ ルイザ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ソース−ドレイン電流のオン／オフ比の改善
を含む、改善された特性を有する有機ＴＦＴデバイスを
実現する。 【解決手段】 本発明は、従来の有機薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）よりも高いソース／ドレイン電流オン／オフ
比を有する改善された有機ＴＦＴを有する。本発明のＴ
ＦＴ２０は、ｐ型第一有機材料層１６（例えばα−６
Ｔ）に加えて、第一材料層に接触したｎ型第二有機材料
層２１（例えばＡｌｑ）を含む。実施例は、バイアス条
件に依存してｎ型チャネルあるいはｐ型チャネルトラン
ジスタとして用いられ得る有機ＴＦＴである。ある実施
例では、本発明のトランジスタは、１５ｎｍ厚のα−６
Ｔ（１１５）およびその上部に４０ｎｍ厚のＣ60（１１
６）を有する。後者は、適切な電気的不活性な層によっ
て、外気による劣化から保護されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）に関し、さらに有機活性層材料より構成され
るＴＦＴに関する。
【０００２】
【従来の技術】薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）はよく知ら
れており、重要なマーケットを構成している。例えば、
アモルファスシリコンから構成されるＴＦＴは、アクテ
ィブマトリクス液晶ディスプレイの多くで用いられてい
る。
【０００３】有機活性層を有するＴＦＴも知られてい
る。例えば、F.Garnier et al., Science, Vol.265, p
p.1684-1686; H.Koezuka et al., Applied Physics Let
ters, Vol.62(15), pp.1794-1796; H.Fuchigami et a
l., Applied Physics Letters, Vol.63(10), pp.1372-1
374; G.Horowitz et al., J.Applied Physics, Vol.70
(1),pp.469-475, および G.Horowitz et al., Syntheti
c Metals, Vol41-43, pp.1127-1130を参照。これらのデ
バイスは、通常、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であ
る。この種のデバイスは、原理的により簡潔な（従って
より安価な）作製プロセス、低温動作可能性、および
（例えばプラスチックなどの）非ガラス基板とのコンパ
チビリティといった、従来の（アモルファスシリコンに
よる）ＴＦＴに対する重要な利点を本質的に有してい
る。ｎ型およびｐ型の双方の有機材料を用いるバイポー
ラトランジスタも知られている。例えば、米国特許第
５，３１５，１２９号を参照。S.Miyauchi et al., Syn
thetic Metals, 41-43(1991), pp.1155-1158において
は、ｎ型シリコンのｐ型ポリチオフェン層を有する接合
型ＦＥＴが記述されている。
【０００４】しかしながら、かなりの量の研究開発努力
にもかかわらず、少なくとも一部は従来技術に係る有機
ＴＦＴの比較的劣悪なデバイス特性のために、有機ＴＦ
Ｔは商品化されていない。
【０００５】スイッチングトランジスタの重要なデバイ
ス特性の一つが、ソース／ドレイン電流のオン／オフ比
である。例えば、前掲のH.Fuchigamiらは、アモルファ
スシリコンと同程度のキャリア易動度を有するデバイス
を報告しているが、それはゲート−ソース間電圧−３０
Ｖにおいてわずか２０のオン／オフ比しか有していな
い。その論文には、不純物によるキャリア散乱を低減す
るための半導体材料の高純度化についても記載されてい
る。
【０００６】前掲のH.Koezukaらは、不純物をドーピン
グしたポリピロール（高伝導度ポリマー）によってコー
ティングしたソースおよびドレインコンタクトを有する
デバイスにおいて約１０5というチャネル電流オン／オ
フ比（変調比）を実現したことを報告している。彼らに
よれば、これは有機ＦＥＴにおいて実現された最高のオ
ン／オフ比である。にもかかわらず、この報告されたオ
ン／オフ比は、従来技術に係るＦＥＴにおいて通常実現
可能であって有機ＴＦＴの種々の潜在的なアプリケーシ
ョンにおいて要求されているオン／オフ比よりも依然と
してかなり小さい。さらに、有機ＴＦＴのキャリア易動
度は非常に低く（２×１０-4ｃｍ2／Ｖｓ）、従って高
速動作には適していない。欧州特許出願第９２３０７４
７０．２号（公開番号第０５３８６６２Ａ１号）は、ソ
ース−ドレイン電極間のチャネルを構成し、ゲート電極
とソースおよびドレイン電極との間に配置された第二有
機物層に接している第一有機物層を有する有機ＦＥＴを
記載している。第一および第二有機物層は同一導電型を
有しているが、そのキャリア濃度が異なっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】有機ＴＦＴの原理的な
重要性を考慮すると、ソース−ドレイン電流のオン／オ
フ比の改善を含む、改善された特性を有する有機ＴＦＴ
デバイスが実現されることが望ましい。本発明はそのよ
うなデバイスおよびそのようなデバイスの作製方法を提
供するものである。
【０００８】R.C.Haddonらによる１９９５年３月１５日
付けの米国特許出願第０８／４０４，２２１号は、Ｃ60
に基づいた有機トランジスタを記載している。さらに、
A.Dodabalapur et al., Science, Vol.268, p.270(199
5)を参照。
【０００９】本明細書においては、“有機半導体”と
は、他の元素と組み合わせてかなりの量の炭素を含んで
いる材料、あるいは炭素元素の同位体（ダイアモンドを
除く）を含む材料であって、室温（２０℃）において少
なくとも１０-3ｃｍ2／Ｖ・ｓの易動度を有する材料を
指し示している。本明細書において考慮している有機半
導体は、通常、２０℃において１Ｓ／ｃｍ未満の伝導度
を有している。
【００１０】本明細書においては、“ｐ型”（“ｎ
型”）有機半導体とは、フェルミレベルがその材料中に
存在している分子あるいは会合体の最高被占分子軌道
（ＨＯＭＯ）のエネルギーに最低空分子軌道（ＬＵＭ
Ｏ）のエネルギーよりも近い（遠い）有機半導体を指し
示している。この術語は、正電荷担体を負電荷担体より
もより効率的に伝達する（伝達しない）有機半導体を指
し示すためにも用いられる。正（負）電荷担体（キャリ
ア）は、一般的に“正孔”（“電子”）と呼称される。
【００１１】本明細書においては、有機“ｐｎ接合”と
は、ｐ型およびｎ型有機半導体の間の接触領域を指し示
している。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、その概略にお
いては、従来技術に係る有機ＴＦＴと比較して実質的に
改善された特性（例えばオン／オフ比）を有する新しい
有機ＴＦＴを含む物品において実現される。本発明に係
るいくつかの実施例においては、バイアス条件に依存し
てｐ型チャネルあるいはｎ型チャネルトランジスタ特性
が示され、必ずしも高いオン／オフ比を有している訳で
はない。
【００１３】詳細に述べれば、有機ＴＦＴは、有機材
料、その有機材料と接触してかつ互いに離れた第一およ
び第二コンタクト手段（例えば金電極）、および前記第
一および第二コンタクト手段とは離れていて、それに印
加される電圧によって前記第一および第二コンタクト手
段の間を流れる電流を制御するように適応させれた第三
コンタクト手段、を有している。重要なことは、有機材
料が、第一導電型を有する第一有機材料層と、前記第一
有機材料層と前記第一および第二コンタクト手段との間
の少なくとも一部の領域で接触していて前記第一有機材
料層とｐｎ接合を形成している第二導電型を有する第二
有機材料層とから構成されていて、前記第一有機材料層
が前記第一および第二コンタクト手段とは接触していて
前記第三コンタクト手段とは接触していないことであ
る。従来技術に係るデバイスにおいては、前記第三コン
タクト手段はゲートコンタクトとして識別されているも
のであり、前記第一および第二コンタクト手段はソース
およびドレインコンタクトとして識別されているもので
ある。
【００１４】本発明に係るＴＦＴは、例えば１０6以上
のオン／オフ比を有しており、これは従来技術に係る有
機ＴＦＴにおいて実現されている値よりも実質的に高い
値である。本発明に係るＴＦＴは、さらに、０．００３
ｃｍ2／Ｖ・ｓを越える比較的高い易動度を有してい
る。本発明に係るＴＦＴは、２０℃かつ動作ゲート電圧
において１０5を越えるオン／オフ比を示し、少なくと
も３×１０-3ｃｍ2／Ｖ・ｓのキャリア易動度を有して
いる。
【００１５】本発明に係るＴＦＴにおける第一有機材料
は、有機ＴＦＴにおける活性層として利用されるのに適
したものとして知られている有機材料より構成されてい
る。これらの有機材料には、ポリチオフェンおよびその
置換誘導体であるポリ（３−ヘキシルチオフェン）およ
びポリ（３−オクチルチオフェン）ポリチエニレンビニ
レンなど、α−ヘキサチエニレン（α−６Ｔ）およびそ
の置換誘導体であるα，ω−ジヘキシル−α−６Ｔな
ど、が含まれる。第一有機材料に適した他の材料は、米
国特許第５，３１５，１２９号およびG.Horowitz et a
l., Synthetic Metals, Vol.41-43, pp.1127-1130に記
載されている。例えば、第一有機材料は重合度が３より
大きい（かつ通常９未満の）チオフェンポリマー、チオ
フェン置換誘導体、およびポリ（チエニレンビニレン）
から選択される。本発明の発明者は、２，２’−ｂｉｓ
（ベンゾ［１，２−ｂ：４，５−ｂ’］ジチオフェン
が、ＴＦＴにおいて１０-4ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上のｐ型易
動度を有しており、素晴らしいオン／オフ比および温度
安定性を有していることを見い出した。この化合物、お
よびその３倍類似体、および置換誘導体は本発明に係る
ＴＦＴにおいて用いられるものととして企図されてい
る。
【００１６】前記化合物はｐ型有機半導体であるが、本
発明はそれに限定されている訳ではない。薄膜として堆
積可能かつｎ型であって、本発明に係るトランジスタに
おける第一有機材料としての利用に適した他の有機化合
物、およびこれらの有機化合物の利用も企図されてい
る。結晶（通常は多結晶）として堆積され得る第一有機
半導体材料が望ましいが、アモルファス層も利用可能で
ある。
【００１７】第二有機材料として本発明における利用に
適しているものにはＣ60が含まれる。しかしながら、本
発明はそれに限定されている訳ではなく、ｐ型材料を含
む他の有機材料の利用も企図されている。利用に適した
ｎ型有機半導体には、他のフラーレン（例えばＣ70およ
び同族のもの）、ペリレンテトラカルボキシル無水物お
よびイミドおよびそれらの置換誘導体（例えばペリレン
テトラカルボキシル二無水物すなわちＰＴＣＤＡ）、オ
キサジアゾル化合物、テトラシアノキノ−ジメタン（例
えば７，７，８，８−テトラシアノキノジメタンおよび
そのジベンゾ誘導体）、ポルフィリンおよびキノンなど
が含まれる。置換基としては、ニトロ、シアノ、ハロお
よびペルフルオロアルキル置換基などが挙げられるが、
他のアルキル基も有用であり得る。必ずしも全てのｎ型
有機半導体材料が本発明を実施する際に有用であるとは
限らないことは当業者には明らかである。実際、本発明
のある種の実施例においては有用であるが、他の実施例
においては現時点では有用であると考えられない材料も
存在する（例えばＡｌｑ）。
【００１８】本発明の第一の実施例においては、本発明
にかかるトランジスタは、さらに、第三コンタクト手段
と第一および第二コンタクト手段の双方との間に配置さ
れた誘電体層を有しており、第一有機材料層はこの誘電
体層と接している。この実施例におけるトランジスタ
は、従来技術に係る金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）Ｆ
ＥＴに類似した構造を有しており、ＭＩＳＦＥＴ型の有
機ＴＦＴと呼称される。
【００１９】本発明の第二の実施例においては、第三コ
ンタクト手段が第二有機材料層上に配置されており、第
一有機材料層とは離れている。この実施例におけるトラ
ンジスタは、従来技術に係る接合ＦＥＴ（Ｊ−ＦＥＴ）
に類似した構造を有しており、Ｊ−ＦＥＴ型の有機ＴＦ
Ｔと呼称される。
【００２０】本発明の第三の実施例は前記第一実施例と
同様のものであるが、第一および第二有機材料層の順序
が入れ代わっている。
【００２１】本発明に係るトランジスタは、ディスプレ
イシステム、メモリ、および他のアナログおよび／ある
いはデジタル回路などの物品において有用である。
【００２２】本発明のさらに別の実施例は、ｐ型チャネ
ルあるいはｎ型チャネルデバイスのいずれかとしての動
作が可能な有機薄膜トランジスタおよびそれらのトラン
ジスタを含むマルチトランジスタ回路である。これらの
ＴＦＴは、前述されたｐ型チャネルＴＦＴのあるものの
ように高いオン／オフ比を有しているとは必ずしも限ら
ない。
【００２３】
【発明の実施の形態】従来技術に係る有機ＴＦＴはＭＩ
ＳＦＥＴ型あるいはハイブリッドＪ−ＦＥＴ型トランジ
スタであり、種々の構造によって実施されている。有機
活性層を有する従来技術に係るＭＩＳＦＥＴ型ＴＦＴ１
０が図１に示されており、番号１１から１６は、それぞ
れ、基板（例えばガラス、プラスチック、金属、半導
体）、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート
絶縁体層および有機活性材料（有機半導体）層を示して
いる。ソースとドレインとの間の電荷担体の流れを起こ
させる手段、およびゲート電極に電圧を印加する手段が
実際のデバイスにおいては存在しているがここでは図示
されていない、ということは当業者には自明である。
【００２４】図２は、本発明に係るＭＩＳＦＥＴ型のデ
バイス２０を模式的に示した図である。番号１１から１
６は、図１において同一の番号が付されたエレメントに
対応するエレメントを指し示しており、番号２１は、層
１６の反対の導電型を有していてそれとｐｎ接合を構成
している有機材料層を指し示している。具体的には、層
１６はｐ型（例えばα−６Ｔ）であって層２１はｎ型
（例えばＡｌｑ）である。
【００２５】本発明の発明者は、適切な層２１を提供す
ることによって、デバイス特性を実質的に改良すること
が可能であることを見い出した。特に、ソース−ドレイ
ン間の“オフ”電流が著しく低減でき、従ってトランジ
スタのオン／オフ比が改善される。
【００２６】“オフ”電流の減少は、適切な有機材料層
１６および２１の間の接触、具体的にはα−６Ｔ／Ａｌ
ｑ界面、およびそれによる第一有機材料層（具体的には
層１６）中の（ｐ型）残存キャリアの空乏化に関連して
いると考えられる。
【００２７】通常のｐｎ接合との類似性から、ゼロバイ
アス時に第一／第二有機材料層界面において形成される
空乏層の幅Ｗは（２ε1Ｖbi／ｑＮ1）1/2によって与え
られる。ここで、ε1は第一有機材料の誘電率、Ｖbiは
“ビルトイン”電位｜ＥF1−ＥF2｜／ｑ、Ｎ1は第一有
機材料の自由キャリア密度、ｑは電気素量（１．６×１
０-19Ｃ）、および、ＥF1およびＥF2はそれぞれ第一お
よび第二有機材料におけるフェルミエネルギーである。
前記Ｗに関する表式においては、第二有機材料が第一有
機材料よりもはるかに多くの自由キャリアを有している
ということが仮定されている。
【００２８】ゼロバイアス時にゼロではない幅を有する
空乏層が存在することが、第一有機材料層内の自由キャ
リアの多くを電気的に不活性にすることによって、第一
および第二コンタクト手段間のゼロバイアス時の電流
（ＩD）を低減すると考えられる。
【００２９】以上の注釈は本発明の理解を助ける目的の
みで記述されたものであり、本発明の特許請求の範囲を
限定するものではない。
【００３０】本発明に係るトランジスタの特徴は、Ｖbi
値が比較的大きい（例えば≧０．５Ｖ）ことである。こ
のことは、第一および第二有機材料のフェルミエネルギ
ーの間の差が比較的大きいことを必要とする。
【００３１】このことは、図８および９に、それぞれ分
離されたα−６ＴおよびＡｌｑの場合のバンドエッジ配
置およびＡｌｑと接触した場合のα−６Ｔのバンドエッ
ジ配置として図示されている。よく知られているよう
に、α−６ＴおよびＡｌｑはそれぞれｐ型およびｎ型有
機半導体として理解されている。図８に示された数値は
電子ボルトで表した値であり、図９の番号９１−９３は
それぞれ絶縁体、α−６Ｔ、およびＡｌｑを示してい
る。
【００３２】図５および６は、それぞれ第二有機材料層
がない場合およびある場合のＭＩＳＦＥＴ型有機ＴＦＴ
の特性を比較した図である。図５に示されたデータは層
２１がない場合の図２に示されたタイプのトランジスタ
から得られたものである。基板はシリコンであり、ゲー
トコンタクトは３０ｎｍ厚の金のストライプである。ゲ
ート絶縁膜は３００ｎｍ厚の従来技術に係るＳｉＯ2で
ある。金で構成されたソースおよびドレイン電極は３０
ｎｍ厚、長さ２５０μｍ幅１００μｍであり、互いに１
２μｍ離れて配置されている。ｐ型有機半導体層は５０
μｍ厚のα−６Ｔである。図６に示されたデータは、上
記トランジスタに６０ｎｍ厚のＡｌｑ層をα−６Ｔ層上
に堆積したトランジスタから得られたものである。これ
らの図より明らかなように、Ａｌｑ層を加えることによ
って、ゼロゲートバイアス（ＶG＝０）におけるドレイ
ン電流（ＩD）が、具体的には−１．１μＡから−６８
ｎＡへと著しく減少している。
【００３３】図７は、本発明に係るＪ−ＦＥＴ型の有機
ＴＦＴの特性を示した図である。図より明らかなよう
に、このデバイスは、ＶG＝０において充分に低いＩDを
有している。図３は、本発明に係るＪ−ＦＥＴ型の有機
ＴＦＴ３０を示した模式図であり、番号３１−３６は、
それぞれ絶縁体基板、第一有機材料層、第二有機材料
層、第一コンタクト手段、第二コンタクト手段、および
第三コンタクト手段を表している。
【００３４】図４は、本発明に係るさらなる実施例を示
した図であり、前述された第三の実施例に対応してい
る。番号４１−４７は、それぞれ基板、第一有機半導体
層、第二有機半導体層、第一コンタクト、第二コンタク
ト、第三コンタクト、およびゲート絶縁層を指し示して
いる。この実施例における層４２はｎ型有機半導体材料
である。
【００３５】図７に示されたデータは、図３に示された
タイプのＴＦＴから得られたものである。詳細に述べれ
ば、基板はＳｉＯ2によって覆われたシリコンである。
互いに櫛状の入れ子になった形状の(inter-digitated)
ソース／ドレイン電極（１０ｎｍＣｒ／３０ｎｍＡｕ）
が基板上に形成されている。入れ子になった構造の
“指”の部分の幅および間隔は１０μｍである。この構
造全体の大きさは２ｍｍ×２ｍｍである。５０ｎｍ厚の
α−６Ｔが入れ子構造の上に蒸着させられており、６０
ｎｍ厚のＡｌｑがα−６Ｔ上に蒸着させられている。シ
ャドウマスクによって規定された１００ｎｍ厚３ｍｍ幅
のＡｌの“指”が、ソース／ドレイン間隙に亘って延在
するようにＡｌｑ層上に堆積させられている。Ａｌの
“指”はゲート電極として機能する。
【００３６】本発明にかかるトランジスタは、適切な基
板上に適切な方法によって生成され得る。適切な基板の
例としては、ガラス、ＭＹＬＡＲ(R)あるいはＫＡＰＴ
ＯＮ( R)等のプラスチック、あるいはシリコン（ＳｉＯ2
によって覆われたものあるいは覆われていないもの）な
どが挙げられる。
【００３７】第一有機材料の品質が従来技術に係るデバ
イスと同様の純度を有している場合には第二有機材料層
を設けることによってデバイス特性が一般には改善され
るが、少なくともα−６Ｔを有するデバイスの場合に
は、より高い純度の第一有機材料を用いることによって
デバイス特性がさらに改善され得る。α−６Ｔを精製す
る技法は、１９９４年１２月９日付けの米国特許出願第
０８／３５３，０３２号（“有機薄膜トランジスタ作製
方法、およびその方法によって作製された物品”）に記
載されている。
【００３８】堆積させられた第一有機材料（例えばα−
６Ｔ）を適切に熱処理することにより、その層のモフォ
ロジー（形態）が変化し、さらにデバイス特性が改善さ
れることが本発明の発明者によって見い出されている。
より詳細に述べれば、α−６Ｔ堆積膜を高速熱アニール
（ＲＴＡ）することによって材料のグレインサイズが、
平均グレインサイズが企図されているＴＦＴのチャネル
長（通常４−１２μｍ）を越える程度にまで、実質的に
増大する、ということが見い出されている。このような
場合には、活性材料は実質的に単結晶と同様に振る舞
う。
【００３９】α−６Ｔの通常の堆積後の膜は多結晶であ
り、１００ｎｍ内外の平均グレインサイズを有してい
る。この種のフィルムを短時間（通常１０秒未満、例え
ば１秒）融点付近の温度（例えば２９５−３１５℃）で
アニールすると、平均グレインサイズが増大して２μｍ
を越える、例えば５−１００μｍになる。アニールは、
例えばＮ2などの不活性雰囲気中でなされることが望ま
しい。適切な熱源（例えばサセプタにフォーカスされた
ハロゲンランプ列、あるいはグラファイトストリップヒ
ーター）が用いられる。
【００４０】多くの場合にはｐ型材料がｎ型材料よりも
実質的に高い（例えばファクタ１００程度）易動度を有
しているが、２つの材料のそれぞれの易動度が同程度
（例えば互いにおよそファクタ１０以内）であることが
望ましい。このようなことが可能である場合には、図２
に示されたようなＭＩＳＦＥＴ型の構造において、ゲー
ト電極に適切なバイアスを印加することによって、ｎ型
チャネルあるいはｐ型チャネルトランジスタを得ること
が可能である。ｎ型およびｐ型チャネルトランジスタを
構成することが可能であることによってＣＭＯＳ回路を
作製することがかのうになることは当業者には明らかで
あり、本発明に係るＴＦＴをＣＭＯＳアナログおよび／
あるいはデジタル回路の構成要素として利用することを
本発明の発明者は企図している。ＣＭＯＳ回路に用いら
れるこの種のＴＦＴは、必ずしも非常に高いオン／オフ
比を有している必要はない。
【００４１】本発明の一実施例に係るトランジスタはデ
ィスクリートデバイスとしても用いられうるが、主とし
て本発明に係るトランジスタを複数個有する集積回路に
おいて、従来技術に係る半導体デバイス、デバイスを相
互に接続してデバイスに電力を供給する手段を提供し、
入力信号を回路に供給し、出力信号を受信する導体と共
に、利用される。
【００４２】一例として、本発明に係るトランジスタ
は、従来技術に係る半導体ＴＦＴが用いられているのと
同一の機能で、液晶ディスプレイにおける電流スイッチ
として用いられる。この様子は図１０に示されており、
この図は、J.Kanichi, editor,"Amorphous and Microcr
ystalline Devices"(Artech House, Boston(1991))の第
１０２頁の図に基づいている。図１０は、アクティブマ
トリクス型の液晶ディスプレイの回路例を示しており、
トランジスタ１０１は本発明に係るＴＦＴである。それ
以外の回路構成要素は従来技術に係るものである。番号
１０２は液晶を示しており、番号１０３−１０５は、そ
れぞれ信号線、ゲート線および共通電極を表している。
ビデオ信号およびゲートパルスが模式的に示されてい
る。
【００４３】図１１は本発明に係る有機薄膜トランジス
タを模式的に示した図である。このトランジスタは単一
のデバイスでｐ型チャネルおよびｎ型チャネルの双方の
動作が可能である。参照番号１１０−１１６は、それぞ
れゲートとして機能するシリコン基板、ゲート絶縁膜
（ＳｉＯ2）、ゲートコンタクト（Ａｕ）、ソース（Ａ
ｕ）、ドレイン（Ａｕ）、ｐ型有機材料層（α−６Ｔ）
およびｎ型有機材料層（Ｃ60）を示している。図１１の
トランジスタが図２のトランジスタによく似ていること
は当業者には明らかである。さらに、層１１５および１
１６が複数個の有機化合物をそれぞれ含みうることも当
業者には明らかである。
【００４４】本発明の望ましい実施例においては、ｐ型
層はおよそ１０−２０ｎｍ厚のα−６Ｔより構成されて
おり、ゲート絶縁膜上に配置させられている。ｎ型層は
２０−４０ｎｍ厚のＣ60から構成されており、ｐ型層上
に配置させられている。このｎ型層を外界から保護する
ために電気的に不活性な層（例えばＳｉＯ2）がｎ型層
上に配置させられていることが望ましい。
【００４５】ｐ型材料がｎ型材料の下に配置されている
ことは必ずしも必要ではない。しかしながら、このよう
にすることによって、ｎ型材料上にｐ型材料が配置され
たトランジスタよりも良好なデバイス特性を有するトラ
ンジスタが実現できている。さらに、ｐ型層が比較的厚
い（例えば≧４０ｎｍ）場合には、ｎ型チャネル動作が
劣化することが見い出されている。よって、ｐ型層は比
較的薄い（＜４０ｎｍ、望ましくは＜２０ｎｍ）ことが
望ましい。
【００４６】α−６ＴおよびＣ60の最高被占分子軌道
（ＨＯＭＯ）および最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネ
ルギーレベルが図１２に示されている。これらのエネル
ギーレベルが、ゲートがソースに対して負にバイアスさ
れた場合にはｐ型チャネル材料（α−６Ｔ）が正孔で充
たされ、ゲートがソースに対して正にバイアスされた場
合にはｎ型チャネル材料（Ｃ60）が電子で充たされるよ
うなものであることは、当業者には自明である。
【００４７】図１３および１４は、図１１に示されたト
ランジスタの、それぞれｐ型チャネルおよびｎ型チャネ
ルモード動作の際のエネルギーバンド図を模式的に示し
た図である。ｐ型チャネルモードにおいては、ホールの
蓄積層がα−６Ｔ／ＳｉＯ2界面近傍のα−６Ｔ内に形
成され、ｎ型チャネルモードにおいては、電子の蓄積層
がα−６Ｔとの界面近傍のＣ60内に形成される。図１３
および１４においては、それぞれバイアス電圧として−
３０Ｖおよび＋６０Ｖが印加されていることが仮定され
ている。番号１３０および１４０はフェルミレベルを指
し示しており、番号１３１は金属コンタクトのエネルギ
ーレベルを表している。
【００４８】図１５および１６は、図１１に示されたト
ランジスタの、それぞれｐ型チャネルおよびｎ型チャネ
ル動作の際のドレイン電流−ドレイン電圧特性を示した
図である。ここで、この図１５および１６は単一のトラ
ンジスタから得られたデータであること、および単一の
トランジスタがｐ型チャネルおよびｎ型チャネルデバイ
スの双方として利用可能であることに留意されたい。図
１６中の破線は、正の小さなゲート電圧を印加した際の
ドレイン電流を示している。
【００４９】以上の相補有機薄膜トランジスタに関する
議論はα−６Ｔ／Ｃ60に基づいたトランジスタに関して
なされているが、本発明はこの構成に限定されている訳
ではない。例えば、図１１に示されているタイプのトラ
ンジスタに関して、α−６Ｔの代わりにα，ωヘキシル
６Ｔを用いた場合に、図１５および１６と定性的に同一
の特性が実現されている。さらに、前記第一有機材料と
して示した材料の多くのものが、図１２に示されたα−
６Ｔ／Ｃ60の組み合わせの場合と同様のエネルギーバン
ド構成を有していて適切な伝達特性を有する限りにおい
ては、ｐ型およびｎ型チャネル有機薄膜トランジスタに
用いられるのに適していることを期待している。詳細に
述べれば、ｐ型チャネル材料のＬＵＭＯおよびＨＯＭＯ
がｎ型チャネル材料のＨＯＭＯよりも真空レベルに近い
ことが必要である。
【００５０】図１５および１６に示されたデータは、短
チャネル効果、寄生抵抗、およびキャリア易動度の電界
依存性を考慮したモデルを用いて解析された。ｐ型チャ
ネル易動度はおよそ４×１０-3ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、
閾値電圧はおよそ０Ｖである。ｎ型チャネル易動度はお
よそ５×１０-3ｃｍ2／Ｖ・ｓであり、ｎ型チャネル閾
値電圧はおよそ＋４０Ｖである。デバイス特性の非対称
性は、α−６ＴのＨＯＭＯエネルギーがＡｕの仕事関数
にほぼ正確に一致しているが、Ｃ60のＬＵＭＯエネルギ
ーがＡｕの仕事関数にほとんど一致していない、すなわ
ち＞１Ｖのポテンシャルバリアが仕事関数とＬＵＭＯレ
ベルとの間に存在している、という事実に関連してい
る。しかしながら、コンタクト金属配線およびデバイス
の構造の最適化により、ｎ型チャネル閾値電圧とｎ型チ
ャネルソース−ドレインオフセット電圧の双方の低減が
できることが期待される。
【００５１】従来技術に係る（シリコンに基づいた）ト
ランジスタを用いた相補回路は公知であり、低電力消費
動作が可能であることも公知である。例えば、W.N.Carr
etal., "MOS/LSI Design and Applications"(McGraw-H
ill)の第７７−７８頁を参照。従来技術に係る相補回路
においては、どのトランジスタがｎ型チャネルであって
どのトランジスタがｐ型チャネルであるかが（不純物の
選択を通して）予め決定されている。
【００５２】本発明の一実施例に従うトランジスタは、
印加されるバイアス電圧に依存して、ｐ型チャネルある
いはｎ型チャネルデバイスのいずれかとして利用され得
る。そのため、回路設計者に付加的な自由度が与えられ
ることになる。なぜなら、与えられたトランジスタがあ
るバイアス条件下ではｐ型チャネルデバイスとなり、ま
た別のバイアス条件下ではｎ型チャネルデバイスとなる
からである。
【００５３】図１８は、本発明に係る２つの実質的に同
一のトランジスタから構成された相補回路例としてのイ
ンバータを模式的に示した図であり、一方のトランジス
タはｎ型チャネルデバイスとして機能し、他方はｐ型チ
ャネルデバイスとして機能する。
【００５４】
【実施例】熱酸化したｎ型シリコンウエハ（ＳｉＯ2厚
〜０．３μｍ）が、アセトンおよびメタノール中で注意
深く洗浄され、その後ＤＩ水によってリンスされた。そ
の後、従来技術に従って、緩衝酸化膜エッチング（ＢＯ
Ｅ）液中でのエッチングによって、ウエハの所定の部分
からＳｉＯ2が除去された。金のコンタクトパッドが露
出させられたシリコンとＳｉＯ2との双方の所定の部分
に対して従来技術に従って堆積させられた。このシリコ
ン上のパッドは、図１１に示されたＴＦＴにおいてゲー
トコンタクトとして機能し、ＳｉＯ2上のパッドはソー
スおよびドレインコンタクトとして機能する。ゲート長
は１．５から２５μｍの間であり、パッド幅は２５０μ
ｍであった。その後、このようにして準備されたウエハ
は熱蒸着器（サーマルエバポレータ）（基準圧力＜１０
-6Ｔｏｒｒ）にロードされる。米国特許出願第０８／３
５３，０３２号に記載されているように準備されて精製
されたある量のα−６Ｔ、およびR.C.Haddon et al., A
CS Symposium Series No.481(1992),p.71および前掲
の’２２１米国特許出願に記載されているように準備さ
れたある量のＣ60がエバポレータ内に配置されていた。
１５ｎｍ厚のα−６Ｔ膜が基板上に昇華させられ、次い
で４０ｎｍ厚のＣ60膜が昇華させられた。双方の昇華レ
ートは０．５−１０ｎｍ／ｓの範囲であった。Ｃ60膜の
昇華の後、４５ｎｍのα−６Ｔ膜が、Ｃ60膜を外気から
守るために昇華させられた。本発明の発明者によって、
Ｃ60の伝達特性が酸素にさらすことによって劣化するこ
とが見い出されており、この種の劣化は他のｎ型半導体
でも起こり得ることも見い出されている。
【００５５】（電気的に不活性な）α−６Ｔ保護膜の堆
積の後、ウエハはエバポレーションチャンバーから出さ
れて、トランジスタ特性を測定する真空プローブステー
ションにすばやくロードされた。図１５−１７はこのよ
うにして作製されたＴＦＴの一つの特性を示している。
【００５６】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。
【００５７】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、ソ
ース−ドレイン電流のオン／オフ比の改善を含む、改善
された特性を有する有機ＴＦＴデバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術に係る有機ＴＦＴの模式図である。
【図２】本発明に係る有機ＴＦＴの模式図である。
【図３】本発明に係る有機ＴＦＴの模式図である。
【図４】本発明に係る有機ＴＦＴの模式図である。
【図５】第二有機材料層を適用する以前のＭＩＳＦＥＴ
型トランジスタの性能を示す図である。
【図６】第二有機材料層を適用した後のＭＩＳＦＥＴ型
トランジスタの性能を示す図である。
【図７】本発明に係るＪ−ＦＥＴ型のトランジスタの性
能を示す図である。
【図８】α−６ＴおよびＡｌｑが分離されている場合の
バンドエッジ配置を示す模式図である。
【図９】α−６ＴおよびＡｌｑが接触させられている場
合のバンドエッジ配置を示す模式図である。
【図１０】本発明に係るＴＦＴを有するアクティブマト
リクス液晶ディスプレイにおける駆動回路例を示す図で
ある。
【図１１】本発明に係る、単一のデバイスにおいてｐ型
チャネルおよびｎ型チャネル動作が可能な有機薄膜トラ
ンジスタ例を示す模式図である。
【図１２】Ａｕ、α−６ＴおよびＣ60の関連するエネル
ギーレベルを示す図である。
【図１３】本発明に係るトランジスタのｐ型チャネルエ
ンハンスメントモード動作時のエネルギーバンド図であ
る。
【図１４】本発明に係るトランジスタのｎ型チャネルエ
ンハンスメントモード動作時のエネルギーバンド図であ
る。
【図１５】本発明に係るトランジスタのｐ型チャネル動
作時の特性を示す図である。
【図１６】本発明に係るトランジスタのｎ型チャネル動
作時の特性を示す図である。
【図１７】本発明に係るトランジスタのさらなる特性を
示す図である。
【図１８】本発明に従ったｎ型およびｐ型チャネルトラ
ンジスタを含む回路例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 従来技術に係るＭＩＳＦＥＴ型ＴＦＴ １１ 基板 １２ ソース電極 １３ ドレイン電極 １４ ゲート電極 １５ ゲート絶縁体層 １６ 有機活性材料層 ２０ 本発明に係るＭＩＳＦＥＴ型ＴＦＴ ２１ 層１６と反対の導電型を有する有機材料層 ３０ 本発明に係るＪ−ＦＥＴ型ＴＦＴ ３１ 絶縁体基板 ３２ 第一有機材料層 ３３ 第二有機材料層 ３４ 第一コンタクト手段 ３５ 第二コンタクト手段 ３６ 第三コンタクト手段 ４０ 本発明に係る第三の実施例 ４１ 基板 ４２ 第一有機半導体層 ４３ 第二有機半導体層 ４４ 第一コンタクト ４５ 第二コンタクト ４６ 第三コンタクト ４７ ゲート絶縁層 ９１ 絶縁体 ９２ α−６Ｔ ９３ Ａｌｑ １０１ ＴＦＴ １０２ 液晶 １０３ 信号線 １０４ ゲート線 １０５ 共通電極 １１０ シリコン基板 １１１ ゲート絶縁膜（ＳｉＯ2） １１２ ゲートコンタクト（Ａｕ） １１３ ソース（Ａｕ） １１４ ドレイン（Ａｕ） １１５ ｐ型有機材料層（α−６Ｔ） １１６ ｎ型有機材料層（Ｃ60） １３０ フェルミレベル １３１ フェルミレベル １４０ フェルミレベル １８０ インバータ １８１ ｐ型チャネルデバイス １８２ ｎ型チャネルデバイス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート コート ハッドン アメリカ合衆国，07801 ニュージャージ ー，ドーヴァー，ダニエル ストリート 305 (72)発明者 ハワード エダン カッツ アメリカ合衆国，07901 ニュージャージ ー，サミット，バトラー パークウェイ 135 (72)発明者 ルイザ トーシ アメリカ合衆国，07974 ニュージャージ ー，マーレイ ヒル，エタン ドライブ 48，アパートメント １エー

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）ある量の有機材料と、 （ｂ）前記ある量の有機材料と接触していて互いに分離
    された第一および第二コンタクト手段（１２、１３）
    と、 （ｃ）前記第一および第二コンタクト手段とは分離され
    ていて、印加される電圧によって前記第一コンタクト手
    段と第二コンタクト手段の間を流れる電流を制御する第
    三コンタクト手段（１４）とからなる有機薄膜トランジ
    スタを含む有機薄膜トランジスタ装置において、 （ｄ）前記ある量の有機材料が第一導電型を有する第一
    有機材料層（１６）と第二導電型を有する第二有機材料
    層（２１）とから構成されており、前記第二有機材料が
    少なくとも前記第一コンタクト手段と第二コンタクト手
    段の間のある領域において前記第一有機材料と接触して
    いることを特徴とする有機薄膜トランジスタ装置。
  2. 【請求項２】 前記第一有機材料がｐ型有機材料であ
    り、前記第二有機材料がｎ型有機材料であることを特徴
    とする請求項１の装置。
  3. 【請求項３】 前記装置が前記トランジスタを複数個有
    しており、当該トランジスタのうちの少なくとも第一の
    ものがｎ型チャネルトランジスタを構成するようにバイ
    アスされていて前記トランジスタのうちの少なくとも第
    二のものがｐ型チャネルトランジスタを構成するように
    バイアスされており、前記第一および第二トランジスタ
    がバイアス条件を除いて同一であることを特徴とする請
    求項１または２の装置。
  4. 【請求項４】 前記ｐ型およびｎ型有機材料が、ｐ型有
    機材料のＬＵＭＯおよびＨＯＭＯが前記ｎ型有機材料の
    ＨＯＭＯよりも真空のエネルギーレベルに近いことを特
    徴とする請求項３の装置。
  5. 【請求項５】 前記ｐ型有機材料が、重合度が３より大
    きく９より小さいチオフェンポリマー、チオフェン置換
    誘導体よりなるポリマー、ポリ（チエニレンビニレ
    ン）、および２，２’−ｂｉｓ（ベンゾ［１，２−ｂ：
    ４，５−ｂ’］ジチオフェンよりなる群から選択される
    ことを特徴とする請求項４の装置。
  6. 【請求項６】 前記ｎ型有機材料が、フラーレン、ペリ
    レンテトラカルボキシル無水物、およびイミドおよびそ
    の置換誘導体、オキサジアゾル化合物、テトラシアノキ
    ノジメタンおよびそのジベンゾ誘導体、ポルフィリンお
    よびキノンよりなる群から選択されることを特徴とする
    請求項５の装置。
  7. 【請求項７】 前記ｐ型有機材料がα−６Ｔであり、前
    記ｎ型有機材料がＣ60であることを特徴とする請求項６
    の装置。
  8. 【請求項８】 前記ｐ型有機材料が前記第一および第二
    コンタクトと接触していることを特徴とする請求項３の
    装置。
  9. 【請求項９】 前記有機薄膜トランジスタが、前記有機
    材料よりなる前記層上に配置され、前記有機材料層が外
    気に触れることを防止するように選択されたある量の材
    料あるいは材料の組合せを有することを特徴とする請求
    項１の装置。
JP7345004A 1994-12-09 1995-12-08 有機薄膜トランジスタ装置 Pending JPH08228034A (ja)

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