JPH09232589A - 有機薄膜トランジスタ - Google Patents

有機薄膜トランジスタ

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JPH09232589A
JPH09232589A JP9028474A JP2847497A JPH09232589A JP H09232589 A JPH09232589 A JP H09232589A JP 9028474 A JP9028474 A JP 9028474A JP 2847497 A JP2847497 A JP 2847497A JP H09232589 A JPH09232589 A JP H09232589A
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organic semiconductor
organic
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electrode
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Song Q Shi
ソン・キュー・シ
Chan-Long Shieh
チャン−ロン・シェ
Hsing-Chung Lee
シン−チャン・リー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャリア移動度が向上された有機薄膜トラン
ジスタが提供される。 【解決手段】 ゲート絶縁材料層22,32,42,5
2,62,72の上にあるゲート21,31,41,5
1,61,71,単軸整合分子を有する有機半導体材料
の膜24,34,44,54,64,74の上に、間隔
を置いて配置されるソース25,35,45,55,6
5,75とドレイン26,36,46,56,66,7
6を含む有機薄膜トランジスタであって、ソースとドレ
インとの間に、ソースからドレインに向かう方向で分子
が整合されるように有機半導体材料の膜が配置され、配
向膜23,33,43,53,63,73は、有機半導
体材料の膜の分子単軸整合が配向膜によって達成される
ように、有機半導体材料の膜に隣接して配置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は有機薄膜トランジスタ
(TFT)に関し、さらに詳しくはキャリア移動度が向
上したTFTに関する。
【0002】
【従来の技術】有機TFTは一般に、一連の導電ゲート
電極,ゲート絶縁層,能動(半導体)有機材料の薄い
(厚さ1ミクロン未満)層,および水平に間隔を置く2
つの導電ストリップ(ソース電極とドレイン電極)によ
って構成される。このトランジスタは、ゲート電極に印
加される電圧の極性に応じて、エンハンスメント・モー
ドまたは空乏モードのいずれかで動作できる。
【0003】有機TFTの最初の例は、2つの有機共役
ポリマー、すなわちポリアセチレン(例:F.Ebisawa
等、J.Appl.Phys.54,3255(1983) )とポリチオフェン
(例:A.Assadi等、Appl.Phys.Lett.53,195(1988) )を
ベースにしていた。また有機TFTは、メタロフタロシ
アニン(例:G.Guillaud等、Chem.Phys.Lett.167,503(1
990))やα-sexithienyl(例:X.Peng等、Appl.Phys.Le
tt.57,2013(1990))などの有機分子半導体を用いて作ら
れた。
【0004】低コストであること、原材料が豊富である
こと、およびスピン・コーティング(spin coating)や
真空蒸着という単純な技術を用いることによって広域用
途が可能であることに加え、有機TFTには、多結晶ま
たはアモルファス・シリコンをベースにした従来の薄膜
トランジスタ(350℃以上の加工温度が必要)に比べ
て、加工温度が低いという利点(通常200℃未満)が
ある。加工温度が低いので、有機TFTは、一般に高温
に弱い基板の上に作ることができる。プラスチック基板
上に配置した有機TFTは、プラスチックの液晶ディス
プレイ,プラスチックの有機/無機エレクトロルミネセ
ンス・ディスプレイなど、ポータブル型の薄く軽量でフ
レキシブルなアクティブマトリックス・ディスプレイ用
途にとっては魅力的である。
【0005】これまで、有機TFTの開発は、そのキャ
リア移動度の値μが10-4から10-5cm2 V-1-1
低いことからも分かるように、使用する有機材料の半導
体特性が十分でないことによって阻まれてきた。最も優
れた有機TFTの1つは、ゲート絶縁体の取り扱いによ
ってキャリア移動度4.6×10-1cm2 V-1-1を得
た、Garnier とその同僚が報告したα-sexithienylベー
スのものである(Adv.Mater.2,592(1990) )。この結果
は、従来型MISFETにおける水素化アモルファス・
シリコンのキャリア移動度に匹敵するが、このデバイス
は、用いられるゲート絶縁体の吸湿性のために実用には
ほど遠い。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、キャ
リア移動度が向上された有機TFTを提供する新しい有
機TFT構造を開示することである。
【0007】本発明の別の目的は、フレキシブルで軽量
・広域のディスプレイ用途向けに、プラスチック基板上
に有機TFTを設けることである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記およびその他の問題
は、ゲート電極,ゲート絶縁材料層,ソース電極,ドレ
イン電極,およびソース電極とドレイン電極の間または
下にソース電極からドレイン電極に向かう方向で配置さ
れた単軸整合の有機半導体材料層を含む有機薄膜トラン
ジスタにおいて、実質的に解決され、上記およびその他
の目的もこれによって実現される。このトランジスタで
は、有機半導体の整合は、有機半導体に隣接して配置さ
れる配向膜層によって達成される。
【0009】上記有機TFTにおいて、ソース電極とド
レイン電極との間の、配向膜による有機半導体材料の整
合は、整合されていない(ランダム配向)有機半導体に
比べて、ソースからドレインへのキャリア移動度を高め
る。
【0010】
【実施例】本発明は、ソース電極とドレイン電極間のキ
ャリア移動度を高めるように有機半導体材料を整合する
目的で、有機半導体の下に配向膜を有する有機薄膜トラ
ンジスタを意図する。
【0011】図1に示すように、代表的な従来型有機T
FT10は、安定金属,金属合金,またはindium-tin-o
xideなどの透明導体によって作られるゲート電極11,
SiOx,SiNx,AlOxまたは有機ポリマー誘電
媒体によって構成されるゲート絶縁体12,有機高分子
半導体材料または有機分子半導体材料のいずれかから選
択される有機半導体膜13,および安定金属,金属合金
またはindium-tin-oxideもしくは透明導体によってソー
ス電極およびドレイン電極として作られる水平方向に間
隔を置く2つの導電ストリップ14,15を含む。
【0012】先行技術では、有機TFT(例:TFT1
0)は一般に、有機半導体膜で遭遇するキャリア移動度
が極めて低いことを主因に、従来の多結晶アモルファス
・シリコン・トランジスタに比べて、デバイス性能が劣
るという問題を有する。この問題を克服する1つの明確
な方法は、キャリア移動度のより高い有機半導体を利用
することである。このアプローチでは、労働集約型の設
計作業,およびキャリア移動度の高い新しい有機半導体
を発明することを含めて、何百もの既知の有機半導体を
ふるい分けるという時間のかかる作業を必要とする。
【0013】先行技術(例:TFT10)では、有機半
導体の分子は、上記で形成される有機半導体膜13では
ランダムに位置づけられる。キャリア移動度は全方向で
等しい。しかしながら、多くの有機半導体材料は、分子
が適正に整合または堆積される場合に異方性のキャリア
移動度を有する一次元系である。ポリアセチレン,ポリ
チオフェンの場合などの直線伸張π共役主鎖(backbon
e)を有する分子整合有機高分子半導体では、共役鎖方
向に沿ったキャリア移動度が、共役主鎖方向に対して垂
直方向に沿ったキャリア移動度の約2から3倍のオーダ
ーで高い。ぺリレン,テトラセン,銅フタロシアニンの
場合などπ共役系が局在する堆積有機分子では、π電子
のオーバーラップを有する分子堆積方向に沿ったキャリ
ア移動度も、分子積層方向に対して垂直方向に沿ったキ
ャリア移動度より2から3倍のオーダーで高い。
【0014】本発明は、有機TFTの薄膜内の有機半導
体材料中の分子を、ソースからドレインに向かうキャリ
ア移動度が、他の全方向のキャリア移動度よりも数倍の
オーダーで高くなる方向で整合させることによって、組
織化された有機半導体内のキャリア移動度の異方性を利
用する。
【0015】本発明の概念を説明するため、例として下
記に有機TFT構造の6つのバリエーションを示す。
【0016】図2を参照して、本発明による有機TFT
20の一実施例を示す。有機TFT20は、ゲート絶縁
材料層22の1つの表面上に位置するゲート電極21を
含み、ゲート絶縁材料層は誘電媒体によって構成され
る。配向膜23は、ゲート絶縁材料層22の反対側表面
に配置される。分子整合された有機半導体膜24は、配
向膜23の反対側表面に配置され、水平に間隔を置く2
つの導電ストリップ25,26はそれぞれソース電極と
ドレイン電極として、分子整合された有機半導体膜24
の反対側表面の上に、水平方向に間隔を置いて配置され
る。
【0017】図3を参照して、有機TFT30によって
構成される別の実施例を示す。有機TFT30は、配向
膜の役割も果たすゲート絶縁体32(誘電媒体層)の1
つの表面上に配置されるゲート電極31を含む。整合さ
れた有機半導体材料の膜34は、1つの表面がゲート絶
縁体/配向層32の反対側表面の上に配置されるか、ま
たはこれと境を接して配置される。水平方向に間隔を置
く2つの導電ストリップ35,36は、膜34の反対側
表面の上に、それぞれソース電極およびドレイン電極と
して配置される。
【0018】次に図4を参照して、有機TFT40を構
成するさらに別の実施例を示す。有機TFT40は、ゲ
ート絶縁体42(誘電媒体層)の1つの表面上に配置さ
れるゲート電極41を含む。配向膜43は、層42の反
対側表面の上に(またはこれと境を接して)配置され
る。水平方向に間隔を置く2つの導電ストリップ45,
46は、それぞれソース電極およびドレイン電極とし
て、配向膜43の反対側表面の上に配置される。有機半
導体材料の膜44は、導電ストリップ45,46を囲
む、または被覆するように、配向膜43の上に配置され
る。膜44は、導電ストリップ45と46の間に分子的
に整合される。
【0019】次に図5を参照して、有機TFT50を構
成するさらなる実施例を示す。有機TFT50は、配向
膜の役割も果たすゲート絶縁体52(誘電媒体層)の上
に配置されるゲート電極51を含む。2つの導電ストリ
ップ55,56は、ゲート絶縁体/配向膜52の反対側
表面の上に、水平方向に間隔を置く形で、ソース電極お
よびドレイン電極として配置される。有機半導体材料の
膜54は、導電ストリップ55と56の間に整合される
ように、導電ストリップ55,56およびゲート絶縁
体,配向膜52の上に配置される。
【0020】図6を参照して、有機TFT60を構成す
るさらに別の実施例を示す。有機TFT60は、その上
部表面の上にソース電極およびドレイン電極として配置
される水平方向に間隔を置く2つの導電ストリップ6
5,66を有する配向膜63を含む。有機半導体材料の
膜64は、導電ストリップ65と66の間で整合され
て、導電ストリップ65,66を被覆するように、配向
膜63の上部表面の上に配置される。ゲート絶縁体62
は膜64の上部表面の上に配置され、ゲート電極61
は、層62の上部表面の上に配置される。
【0021】図7は、有機TFT70を含むさらに別の
実施例を示す。有機TFT70は、配向膜73の上に整
合される有機半導体の膜74を有する配向膜73の層に
よって構成される。水平方向に間隔を置く2つの導電ス
トリップ75,76は、ソース電極およびドレイン電極
として膜74の上部表面の上に配置される。誘電媒体層
は、ゲート絶縁体72として、導電ストリップ75,7
6の間に堆積され、ゲート電極71は、ゲート絶縁体7
2の上に配置される。
【0022】上記の各実施例において、ゲート電極,ソ
ース電極およびドレイン電極は、安定金属,金属合金,
またはindiumu tin oxide などの透明導体から選択され
る材料から作られる。ゲート絶縁体(22,32,4
2,52,62,72)はSiOx,SiNxおよびA
lOxなどの無機誘電媒体、およびポリイミド,ポリア
クリレート,ポリ塩化ビニル,過フルオロポリマーおよ
び液晶ポリマーなどの有機誘電媒体から選択される材料
から作られる。また配向膜(23,32,43,52,
63,73)は、ポリイミド,過フルオロポリマー,液
晶ポリマー等を含む各種の有機材料から選択される。配
向膜の厚さは、20Åから10ミクロンのレンジ内にあ
り、これらの具体的な実施例では、1000Å未満であ
るのが望ましい。
【0023】配向度の高い薄膜(すなわち、膜の平面に
対して平行な方向に分子全体が配向される膜)を達成す
る方法は技術上知られている。例えば、液晶パネルの製
造では、配向度の高いポリイミド薄膜は、ポリマーをコ
ートした基板の表面を、コットンの布で一方向に軽くこ
することによって得られる。Uedaとその同僚(Y.Ueda、
Jpn.J.Appl.Phys.34、3876(1995))も、機械的にこする
ことによって、配向度の高いポリテトラフルオロエチレ
ンの薄膜を得る方法を開示した。また、液晶ポリマーの
膜は、ガラス転移温度に近い温度で、電磁場プリング
(pulling )によって配向できる。この膜は、プリング
電磁場の下で、室温まで冷却した後も配向を維持する。
Akiyama 等("Method for Forming an Orientation Fil
m Including Coupling an Organic Compound to a Sila
ne Coupling Agent in a Magneticor Electrical Fiel
d"と題される米国特許第5,468,519号)も、電
磁場における有機化合物とシラン・カップリング剤との
結合を含む配向膜の形成方法を開示した。
【0024】本発明の具体的な実施例では、配向膜は、
有機半導体層を1つの軸に沿って生長または堆積させる
ための土台または核の役割をする。配向膜の配向は、配
向膜の上に整合された有機半導体材料の膜が、ソース電
極からドレイン電極に向かう方向で最高の移動度を有す
るように配置すべきである。
【0025】例としてより具体的に挙げれば、直線伸張
π共役主鎖を有する有機高分子半導体の膜がトランジス
タで用いられる場合には、配向膜の配向は、有機ポリマ
ー半導体材料の膜が、ソース電極からドレイン電極に向
かう方向で伸張π共役主鎖が整合されて、配向膜の上で
生長または堆積するように配向膜の整列方向が制御され
るのが望ましい。別の例で、π共役系が局在する有機分
子半導体材料の膜が用いられる場合には、配向膜の配向
は、有機分子半導体材料の膜が、ソース電極からドレイ
ン電極に向かう方向で整合された、π電子のオーバーラ
ップを有する分子の堆積を持つ配向膜の上に生長または
堆積するように、制御されるのが望ましい。
【0026】この実施例で使用される有機高分子半導体
材料の薄膜(すなわち、層24,34,44,54,6
4,74)は、下記を含むがこれらに限定されない。す
なわち、ポリアセチレン,ポリジアセチレン,ポリアセ
ン(polyacene ),ポリ(フェニレン・ビニレン(pheny
lene vinylene))などの共役炭化水素ポリマー、および
これらの共役炭化水素ポリマーのオリゴマーを含む誘導
体;ポリアニリン,ポリチオフェン,ポリピロル,ポリ
フラン,ポリピリジン,ポリ(チエニレン・ビニレン(t
hienylene vinylene) )等の共役複素環式ポリマー、お
よびこれらの共役複素環式ポリマーのオリゴマーを含む
誘導体。また、この実施例で使用される有機分子半導体
材料の薄膜は下記を含むがこれらに限定されない。すな
わち、テトラセン,クリセン,ペンタセン(pentacene
),ピレン,ペリレン,コロネンなどの縮合芳香族炭
化水素、およびこれらの縮合芳香族炭化水素の誘導体;
亜鉛1,10,15,20- テトラフェニルlー21 H,23H-ポルフィ
ン,銅フタロシアニン,ルテチウムビスフタロシアニ
ン,アルミニウム塩化フタロシアニン等、ポルフィンと
フタロシアニン・タイプ化合物の金属錯体。
【0027】下記を含む各種の金属のいずれかによって
構成される基板(図示せず)を使用できる:シリコン,
セラミック,ガラス等の無機材料、およびポリ(塩化ビ
ニレン)、ポリオレフィン等の有機プラスチック材料
が、実施例の有機TFTを支持するのに使用できる。し
かしながら、本発明は、特に有機プラスチック基板に役
立つものであり、実施例の有機TFTを加工するのに必
要な温度は一般に200℃未満であるので、多結晶およ
びアモルファス・シリコンTFTは通常製造できない。
【0028】このため、各種の有機TFTを、キャリア
移動度が向上された形で開示してきた。TFTは比較的
製造が単純で製造コストも低く、1つの層しか付加され
ていない実施例もあれば、全く層が付加されていない実
施例もある。本発明の目的は、フレキシブルな軽量の広
域ディスプレイ用途向けに、プラスチック基板上のキャ
リア移動度が改善された有機TFTを提供することであ
る。
【0029】本発明の具体的実施例を示して説明してき
たが、当業者にはさらなる変形および改良が生じよう。
そのため、本発明が上記の特定の形態には限定されない
ことを了解されたい。また、添付請求の範囲において、
本発明の意図および範囲から逸脱しないすべての変形を
カバーすることを意図する。
【図面の簡単な説明】
図を参照すると、デバイス機能の寸法はマイクロメータ
ー以下のレンジであることが多く、寸法の正確度より寧
ろ見やすさを重視した縮尺となっている。
【図1】従来の有機TFT構造の断面図である。
【図2】本発明による有機TFT構造のバリエーション
の断面図である。
【図3】本発明による有機TFT構造のバリエーション
の断面図である。
【図4】本発明による有機TFT構造のバリエーション
の断面図である。
【図5】本発明による有機TFT構造のバリエーション
の断面図である。
【図6】本発明による有機TFT構造のバリエーション
の断面図である。
【図7】本発明による有機TFT構造のバリエーション
の断面図である。
【符号の説明】
10 従来の有機TFT 11 ゲート電極 12 ゲート絶縁体 13 有機半導体膜 14,15 導電ストリップ 20,30,40,50,60,70 有機TFT 21,31,41,51,61,71 ゲート 22,32,42,52,62,72 ゲート絶縁材料
層 23,32,43,52,63,73 配向膜 24,34,44,54,64,74 有機半導体材料
の膜 25,35,45,55,65,75 ソース(導電ス
トリップ) 26,36,46,56,66,76 ドレイン(導電
ストリップ)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャン−ロン・シェ アメリカ合衆国アリゾナ州パラダイス・バ レー、イースト・バー・ゼット・レーン 6739 (72)発明者 シン−チャン・リー アメリカ合衆国カリフォルニア州カラバサ ス、パーク・エンセナダ23246

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 有機薄膜トランジスタであって:ゲート
    絶縁材料層(22,32,42,52,62,72)の
    上に位置するゲート電極(21,31,41,51,6
    1,71);単軸整合分子を有する有機半導体材料の膜
    (24,34,44,54,64,74)上で、間隔を
    開けて配置されるソース電極(25,35,45,5
    5,65,75)とドレイン電極(26,36,46,
    56,66,76)であって、前記単軸整合分子が、前
    記ソース電極(25,35,45,55,65,75)
    と前記ドレイン電極(26,36,46,56,66,
    76)との間に、前記ソース電極(25,35,45,
    55,65,75)から前記ドレイン電極(26,3
    6,46,56,66,76)に向かう方向で整合され
    るように、前記有機半導体材料の膜(24,34,4
    4,54,64,74)が配置され、前記ゲート絶縁材
    料層(22,32,42,52,62,72)は、前記
    有機半導体材料の膜(24,34,44,54,64,
    74)と隣接および平行して機能的に配置されるソース
    電極(25,35,45,55,65,75)とドレイ
    ン電極(26,36,46,56,66,76); お
    よび前記有機半導体材料の膜(24,34,44,5
    4,64,74)の分子単軸整合が、前記有機半導体材
    料の膜(24,34,44,54,64,74)に隣接
    して配置される配向膜(23,32,43,52,6
    3,73)によって達成されるように、前記有機半導体
    材料の膜(24,34,44,54,64,74)に隣
    接して配置される配向膜(23,32,43,52,6
    3,73);によって構成されることを特徴とする有機
    薄膜トランジスタ。
  2. 【請求項2】 有機薄膜トランジスタであって:ゲート
    絶縁材料層の上に配置されるゲート電極;単軸整合分子
    を有する有機半導体材料膜の上に間隔を開けて配置され
    るソース電極とドレイン電極であって、前記単軸整合分
    子が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に、前
    記ソース電極から前記ドレイン電極に向かう方向で整合
    されるように、前記有機半導体材料の膜が配置され、前
    記ゲート絶縁材料層は、前記有機半導体材料の膜と境を
    接して配置されるソース電極とドレイン電極:および前
    記有機半導体材料の膜の分子単軸整合が、前記有機半導
    体材料の膜に隣接して配置される配向膜によって達成さ
    れるように、前記有機半導体材料の膜に隣接して配置さ
    れる配向膜;によって構成されることを特徴とする有機
    薄膜トランジスタ。
  3. 【請求項3】 有機薄膜トランジスタであって:ゲート
    絶縁材料層の上に配置されるゲート電極;単軸整合分子
    を有する有機半導体材料の膜上に間隔を開けて配置され
    るソース電極とドレイン電極であって、前記単軸整合分
    子が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に、前
    記ソース電極から前記ドレイン電極に向かう方向で整合
    されるように、前記有機半導体材料の膜が配置される、
    ソース電極とドレイン電極;および前記有機半導体材料
    の膜と境を接する第1表面と、前記ゲート絶縁材料層と
    境を接する第2表面を有し、前記有機半導体材料の膜の
    分子単軸整合が、配向膜によって達成されるように配置
    される配向膜;によって構成されることを特徴とする有
    機薄膜トランジスタ。
  4. 【請求項4】 有機薄膜トランジスタを製造する方法で
    あって:中に単軸整合分子を有する配向材料膜と、前記
    配向層上にある有機半導体材料の膜を含み、前記有機半
    導体材料の分子が前記配向層の前記分子と全体に整合さ
    れるように、トランジスタ本体を形成する段階;および
    前記単軸整合分子が、前記ソース電極と前記ドレイン電
    極との間に、前記ソース電極から前記ドレイン電極へと
    向かう方向で整合されるように配置される、前記有機半
    導体材料の膜を有する前記半導体本体上に、間隔を置い
    てソース電極とドレイン電極を配置する段階;および前
    記トランジスタ本体上にゲート電極を配置する段階;に
    よって構成されることを特徴とする製造方法。
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