JPS6231175A

JPS6231175A - 電界効果型トランジスタ

Info

Publication number: JPS6231175A
Application number: JP60171342A
Authority: JP
Inventors: Akira Tsumura; 顯津村; Makoto Tsunoda; 誠角田; Yuji Hizuka; 裕至肥塚; Torahiko Ando; 虎彦安藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-08-02
Filing date: 1985-08-02
Publication date: 1987-02-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、電界効果型トランジスタ（以下ＦＥＴ素子と
略称する）、特に電界効果を利用した有機半導体素子に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来のＦＥＴ＠子は、主としてＳ　ｉ　％　Ｇ　ｅなど
の無機半導体、あるいはＧａＡｓ、ＩｎＰなどの無機化
合物半導体を主たる構成材料として使用するのが一般的
である。しかし、これらは高価となるため、より安価な
有機半導体、すなわち有機物質であり、かつ電気式に半
導体的な電気特性を有するもの、具体的はポリアセチレ
ンを使用したＦＥＴ素子が他に報告されている。

第３図はエビサワ他、ジャーナル　オブ　アプライド　
フィジックス　第５４巻　１１ｈ６第３２５５頁−第３
２５９頁（Ｆ−Ｅｂｉｓａｗａ　ｅｔ　ａｌ、　Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉ　−ｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
　Ｖｏｌ、５４　ｍ６　ｐｐ　３２５５−３２５９）の
論文に示されたポリアセチレンを用いた従来のＦＥＴ素
子の構造を示す断面図である。図において、１はガラス
基板、２はゲート電極となるアルミニウム膜、３は絶縁
膜となるポリシロキサン膜、１０はポリアセチレン膜、
５および６はそれぞれソース電極、ドレイン電極となる
金膜である。

次に動作について説明する。

ソース電極５とドレイン電極６との間に電圧をかけると
ポリアセチレンｌｊｉ！１０を通してソース電極５とド
レイン電極６との間に電流が流れる。このとき、ガラス
基板１上−に設けられかつ絶縁膜３によりポリアセチレ
ン膜１０と隔てられたゲート電極２に電圧を印加すると
電界効果によってポリアセチレン膜１０の電導度を変え
ることができ、したがってソース、ドレイン間の電流を
制御することができる。これは絶縁膜３に近接するポリ
アセチレン膜１０内の空乏層の幅がゲート電極２に印加
する電圧によって変化し実効的なホール（正孔）のチャ
ネル断面積が変化するためと考えられている。この場合
ポリアセチレン膜１０は半導体的な電気特性を有してい
る必要があり、かつこれとソース電極５及びドレイン電
極６とはオーム性接触を有している必要がある。さらに
ポリアセチレン膜１０とゲート電極２とは絶縁膜３をは
さんでＭＩＳ接合を形成している必要がある。

このポリアセチレンを用いた従来のＦＥＴ１子において
は、ポリアセチレン膜１０は、シラカワ他、ポリマージ
ャーナル第２巻　患２第２３１頁−第２４４頁（Ｈ，Ｓ
旧ＲＡＫＡＷＡ　ｅｔ　ａｌ、　Ｐｏ１ｙａ＋ｅｒ　Ｊ
ｏｕｒｎａｌＶｏｌ、２　Ｎ１２　ｐｐ　２３１−２４
４　）の論文に示された方法、すなわちアセチレンガス
をチーグラー・ナツタ触媒で重合させる方法により形成
される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来の有機半導体を用いたＦＥＴ素子では
、ポリアセチレンを使用しているため空気中に放置する
と不飽和結合の多いポリアセチレンが容易に酸素、水の
攻撃を受け、比較的速やかに劣化する。したがって、ポ
リアセチレンを用いたＦＥＴ＠子は、安定性に乏しく、
かつ寿命が短かく、電気特性に劣るという問題点を有し
ていた。

また、製造方法の面からも、アセチレンガスをチーグラ
ー・ナツタ触媒で重合させてポリアセチレン膜を形成さ
せる方法は比較的複雑であって実用化には解決すべき多
数の問題が残されている。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、安価な材料を用い、安定で長寿命であり、電
気特性に優れたＦＥＴ素子を提供することを目的として
いる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係るＦＥＴ素子は、有機半導体としてＣ）（３
，ＯＣＨ３，Ｃ２Ｈ５またはＯＣ２Ｈ５である。）なる
構造を有するπ−共役系高分子を用いたものである。

〔作用〕

本発明においては、有機半導体として、安価でＸはＳま
たはＯＳＲ，ＲはＨ，ＣＨ３，ＯＣＨ３゜Ｃ２Ｈ５また
はＯＣ２Ｈ５である。）なる構造を有するπ−共役系高
分子を用いたので、安定で長寿命かつ電気特性に優れた
ＦＥＴ素子を得ることができる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例のＦＥＴ素子の構造を示す
断面図であり、図において１は基板、２は該基板１の片
面に設けられたゲート電極、３は上記基板１およびゲー
ト電極２上に設けられた絶縁膜、５は該絶縁膜３上に設
けられたソース電極、６は同じ（絶縁膜３上にソース電
極５と分離して設けられたドレイン電極、４は上記絶縁
膜３、ソース電極５およびドレイン電極６上に設けられ
ソース電極５とドレイン電極６とにそれぞれオームＲ′
は肥ＣＨｓ、ＯＣＨ３，Ｃ２Ｈ５またはｏｃ２Ｈ５であ
る。）なる構造を有するπ−共役系高分子膜である。

ここで本実施例素子に用いる材料としては以下に述べる
ものが使用される。

基板１としてはガラスが一般的に用いられるが、ポリエ
ステルフィルムなどの高分子膜を用いることもできる。

ゲート電極２としては、金、白金、クロム、パラジウム
、アルミニウム、インジウムなどの金属や錫酸化物、酸
化インジウム、インジウム・錫酸化物（ＩＴＯ）等を用
いるのが一般的であるが、これら材料を２つ以上あわせ
て用いてもよい。また、ｐ型シリコンやｎ型シリコン、
あるいは有機系高分子を用いてもよい。これらを利用す
る場合には、基板工を省略することができる。

絶縁膜３としては、酸化シリコン（Ｓ　ｉ　０２　）が
一般的に用いられるが、窒化シリコンや酸化アルミニウ
ムでもよい。またポリエチレンやポリビニルカルバゾー
ル、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレンなど
絶縁性高分子を用いてもよい。

ソース電極５およびドレイン電極６としてはπ−共役系
高分子膜４とオーム性接触することができる仕事関数の
大きい金属、例えば金、白金、クロム、パラジウムなど
が用いられる。

π−共役系高分子膜４はそれ自身では通常絶縁体である
が、適当な電子受容体、例えば過塩素酸イオンやテトラ
フルオロボレートイオン、スルホン酸イオンなどをドー
ピングすることによってｐ型半導体にすることができ、
その電導塵も絶縁体領域から金属領域まで幅広く制御す
ることができる。本実施例素子においてはπ−共役系高
分子膜に極く少量のドーピングをしてｐ型半導体性を付
与して用いる。

上記π−共役系高分子の薄膜をゲート電極２゜絶縁膜３
、ソース電極５およびドレイン電極６により構成された
中間部材の上に形成する方法としては電気化学的重合法
（電解重合法）または化学的重合法（化学酸化重合法）
を用いる。例えば電解重合法で上記π−共役系高分子膜
を形成するには、上記π−共役系高分子に相当する七ツ
マ−および支持電解質を有機溶媒または水に溶かし反応
溶液とし、上記ソース電極５及びドレイン電極６を作用
電極とし、例えば白金などの対極との間に電流を通じて
重合反応を起こさせて作用電極近傍上に所望のπ−共役
系高分子を析出させ、析出したπ−共役系高分子膜をよ
く洗浄した後、窒素雰囲気中で乾燥するという方法を用
いる。この場合、析出したπ−共役系高分子膜は反応時
に支持電解質のアニオンがドーピングされてｐ型有機半
導体となり、またソース電極５およびドレイン電極６間
の距離は充分短かいため、両電極間の絶縁膜もπ−共役
系高分子膜によって完全に被覆され、両電極はｐ型有機
半導体膜によって電気的に短絡される。またこのｐ型有
機半導体膜は電解重合後に適度に幾ドープしてＦＥＴ５
子に適した電導塵に変化させることができる。ここで、
有機溶媒としては、支持電解質および上記モノマーを溶
解させるものならよく、例えばアセトニトリル、ニトロ
ベンゼン、ベンゾニトリル、ニトロメタン、Ｎ。

Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）　、ジメチルスル
ホキシド（ＤＭＳＯ）　、ジクロロメタン、テトラヒド
ロフラン、エチルアルコールおよびメチルアルコール等
の極性溶媒が単独又は２種以上の混合溶媒として用いら
れる。また、水との混合熔媒でも使用可能である。支持
電解質としては酸化電位および還元電位が高く、電解重
合時にそれ自身が酸化又は還元反応を受けず、かつ溶媒
中に溶解させることによって溶液に電導性を付与するこ
とのできる物質であり、例えば、過塩素酸テトラアルキ
ルアンモニウム塩、テトラアルキルアンモニウム、テト
ラフルオロボレート塩、テトラアルキルアンモニウム、
ヘキサフルオロホスフェート塩、テトラアルキルアンモ
ニウム、パラトルエンスルホネート塩、および水酸化ナ
トリウム等が用いられるが、勿論２種以上を併用しても
構わない。

次に化学酸化重合法で上記π−共役系高分子膜を形成す
るには税イオン水または有機溶媒との混合溶媒に開始剤
として所定量の酸化剤を溶解させ、これを充分脱酸素し
た溶液を準備した後にこの溶液中に上記π−共役系高分
子に相当するモノマーを所定量添加し、七ツマ−の重合
を行う。このときあらかじめゲート電極２、絶縁膜３、
ソース電極５およびドレイン電極６を設けておいた素子
基板１、すなわち中間部材をこの溶液中に少なくとも５
分以上浸しπ−共役系高分子の重合膜４を素子基板１上
に形成させる。この際、少量の酸化剤またはアニオンが
π−共役系高分子Ｎ＊　４中にドーピングされ、電導度
の低いｐ型半導体性が得られる。なお、上記溶液中にモ
ノマーを添加した後直ちに、あるいは同時に、上記素子
基板１をこの溶液中に浸してもよい。この方法は、膜厚
制御性や膜の均一性に優れ、かつ膜形成と同時にＦＥＴ
に通した電導度が得られる。ここで開始剤としては塩化
第二鉄、フェリシアン化カリウム等が用いられるが、勿
論これらに限るわけではない。開始剤の酸化還元電位が
モノマーの酸化還元電位より責であるすべての酸化剤を
用いることができる。

上記のように構成されたＦＥＴ素子においては、π−共
役系高分子膜４と絶縁膜３の界面においてπ−共役系高
分子膜４側に形成した空乏層の幅がゲート電極２とソー
ス電極５との間にかけた電圧で制御され、実効的なホー
ルのチャネル断面積が変化するためにソース電極５とド
レイン電極６の間を流れる電流が変化すると考えられる
。このとき、π−共役系高分子膜４に電導度の低いｐ型
半導体性しか持たせていないため、ゲート電極２として
は金属電極以外にｐ型シリコンやｎ型シリコン、あるい
は有機系高分子を用いてもπ−共役系高分子１！Ｉ４中
に充分大きな幅の空乏層が形成されて電界効果が現われ
ると考えられる。

なお、第１図では基板１上にゲート電極２が設けられて
いるが、逆に、基板上にπ−共役系高分子膜を設け、そ
の上にソース電極およびこのソース電極と分離してドレ
イン電極を設け、上記ソース電極およびドレイン電極と
の間に絶縁膜を介在させてゲート電極を設けてもよい。

以下、本発明の実施例についてより具体的に説明する。

実施例１３、Ｑ　ｃｍＸ３．Ｑ　ａｍのガラス基板の中央付近に
真空蒸着法によって厚さ１０００人のクロム膜をリボン
状に設け、更にこの上に金膜を２０００人の厚さに真空
蒸着法によって設け、これをゲート電極とした（有効ゲ
ート電極面積は１ｏｔａ　Ｘ　１０μｍ）。さらに基板
上に酸化シリコン膜を３０００人の厚さにＣＶＤ法によ
って設け、これを絶縁膜とした。さらにその上にチャネ
ル長が１０μ隅となるように厚さ２０００人の金膜をゲ
ート電極をはさんで２ケ所に真空蒸着法によって設け、
これらをソース電極、ドレイン電極とした（有効面積は
いずれも１（ｌｎｘｌｏｕ）。

１００ｍ　ｌのア七ト二トリル中に２．２′−ジチオフ
ェン（０，２ｇ　）　、テトラエチルバークロレイト（
０，７ｇ）を熔解させた液を反応溶液とした。上記ガラ
ス基板上のソース電極とドレイン電極を作用電極とし、
対極として白金（Ｐｔ）電極を、参照電極として飽和カ
ロメル電極（ＳＣＥ）を使用し、反応溶液中にこれらを
浸し、窒素ガス雰囲気下で作用電極を陽極として対極と
の間に一定電流（８０μＡ　−ｃｍ　）を３０分流し、
作用電極近傍上、すなわち上記ソース電極近傍上および
ドレイン電極近傍上にπ−共役系高分子を析出させ、両
電極間の絶縁膜がπ−共役系高分子膜で完全に被覆され
るようにし、ソース電極とドレイン電極とがｐ型半導体
性を有するπ−共役系高分子膜で電気的に短絡されるよ
うにした。次に、作用電極の電位をポテンショスタンド
でＳＣＥに対して＋〇、４　Ｖに９５分間設定して電気
化学的脱ドープを行い、アセトニトリルで２回洗浄後、
窒素ガス雰囲気下で乾燥し、ＦＥＴ素子試料（Ｉ）を得
た。

実施例２１０Ｓ／ｅ１１以上の電導度を有する厚さ５００μ鋼の
ｐ型シリコン坂（３，０ｃｍｘ３．Ｏａｍ）の両面に熱
酸法で３０００人の厚さの酸化シリコン膜を設けた。次
に片面のみをプラスマエッチングしてシリコン面を露出
させここに厚さ２０００人の金膜を真空蒸着法によって
設け、オーム性接触をとり、ｐ型シリコン基板そのもの
がゲート電極として働き、酸化シリコン膜が絶縁膜とな
るようにした。さらにこの酸化シリコン膜の上にチャネ
ル長が１０μｍとなるように真空蒸着法によって厚さ１
０００人のクロム膜を２ケ所に設け、さらにその上に金
膜を２０００人の厚さに真空蒸着法によって設けてこれ
をソース電極とドレイン電極とした（有効面積はいずれ
も０゜２ｃｍＸ０．５　ｃｍ）。実施例１の場合と同様
にして電解重合法を用いて上記のソース電極、ドレイン
電極および両電極間の絶縁膜を適度の電導度のｐ型半導
体性を有するπ−共役系高分子膜で被覆し、　　。

これをＦＥＴ試料（ｎ）とした。

実施例３１００ｍ　ｌの純水中に塩化第二鉄（ＦｅＣｆ３．６Ｈ
２０。

２、７ｇ）を溶解させた液に高純度窒素ガスを３０分間
通気してから実施例１で記したソース電極、ドレイン電
極、絶縁膜およびゲート電極を設けたガラス基板を浸し
た。そして高純度窒素ガスの通気を続けながらこの溶液
に１ｍｊ！の２．２′−ジチオフェンを加えた。２．２
′−ジチオフェンを加えるとすぐに化学酸化重合反応が
開始し、ガラス基板上にポリチオフェン膜が形成し始め
そして１８０分後に溶液中からガラス基板を取り出し水
およびエタノールで洗浄した後、これを３時間真空乾燥
しＦＥＴ試料（ＩＩＩ）を得た。

実施例４実施例３の場合と同様にして実施例２で記したソース電
極およびドレイン電極を設けたｐ型シリコン板上に化学
酸化重合法によってポリチオフェン膜を設け、これをＦ
ＥＴ試料（ＩＶ）とした。

実施例５実施例２で記したソース電極およびドレイン電極等を設
けたｐ型シリコン板上に、実施例３の場合と同様の条件
で２，２′−ジチオフェンのかわりにフランを用いて化
学酸化重合法によってポリフラン膜を設け、これをＦＥ
Ｔ試料（Ｖ）とした。

第２図は実施例２により製造されたＦＥＴ試料（ＩＩ）
のゲート電圧（■１１１１．）を変化させた場合のドレ
イン電流（ＩＤ）−ソース・ドレイン間電圧（Ｖ　Ｓ　
Ｄ）の変化を示す特性図である。測定は真空中暗所で行
なった。図において、縦軸がドレイン電流（ＩＤ）、横
軸がソース・ドレイン間電圧（Ｖ　Ｇ）を示す。なお、
ゲート電圧はソース電極に対して印加している。

第２図によると、ＦＥＴ試料（ｎ）はＶＧ＝ＯＶの状態
でもＩＤが流れているがＶＣの変化でＩＤの変化をもた
らし良好な電解効果が得られることがわかる。ＦＥＴ試
料（１）、　　（ＩＩＩ）、　　（ＩＶ）。

（Ｖ）もほぼ同様の特性を示した。また、安定性の面で
も本発明によるＦＥＴ素子は１ケ月以上経過しても特性
の変化が見られなかった。

なお、実施例２．４および５では基板そのものをゲート
電極としたが、チャネル間にのみゲート電極を設けて動
作させることも可能であり、実施例２．４あるいは５と
同様もしくはそれ以上の効果を示す。

本発明に係るＦＥＴ素子の素子基板、ゲート電極、絶縁
膜、ソース電極、ドレイン電極、およびソース電極等に
結着するリード線はすべて高分子材料を用いることが可
能である。この場合本発明に係るＦＥＴ素子は完全に柔
軟構造となる。しかも、これら高分子材料を透明もしく
は半透明な材料とするとπ−共役系高分子膜はかなりの
透明性を有するため、全体が透明もしくば半透明なＦＥ
Ｔ素子を得ることができる。

ところで、本発明は多数の電極を有す大面積基板に適用
することも可能である。したがって本発明に係るＦＥＴ
素子を大面積液晶ディスプレイの基板となる薄膜トラン
ジスタ（Ｔ　Ｐ　Ｔ）として使用することが可能である
。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、有機半導体とＨ，ＣＨ
ｓ、ＯＣＨ３，Ｃ２Ｈ５またはＯＣ２Ｈ５である。）な
る構造を有するπ−共役系高分子を用いたので、安価で
、安定性、寿命および電気特性に優れたＦＥＴ素子を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のＦＥＴ素子の構造を示す断
面図、第２図は実施例２により製造されたＦＥＴ試料（
ｎ）のゲート電圧を変化させた場合のドレイン電流−ソ
ース・ドレイン間電圧の変化を縦軸−ドレイン電流、横
軸−ソース・ドレイン間電圧により示す特性図、第３図
は従来のＦＥＴ素子の構造を示す断面図である。２・・・ゲート電極、３・・・絶縁膜、４・・・π−共
役系高分子膜、５・・・ソース電極、ＩＤ・・・ドレイ
ン電流、ＶＳＤ・・・ソース・ドレイン間電圧、ＶＧ・
・・ゲート電圧。なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ゲート電極と、該ゲート電極との間に絶縁膜を介在させ該ゲート電極と
対向して設けたソース電極および該ソース電極と分離し
て設けたドレイン電極と、上記ソース電極およびドレイン電極とオーム性接触し、
上記絶縁膜上に設けた▲数式、化学式、表等があります
▼（ただしＸはＳまたはＯ、Ｒ、Ｒ’はＨ、ＣＨ＿３、
ＯＣＨ＿３、Ｃ＿２Ｈ＿５またはＯＣ＿２Ｈ＿５である
。）なる構造を有するπ−共役系高分子膜とを備えたこ
とを特徴とする電界効果型トランジスタ。
（２）上記ゲート電極がｐ型シリコンおよびｎ型シリコ
ンのいずれか１つにより組成されたことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の電界効果型トランジスタ。
（３）上記ゲート電極が有機系高分子により組成された
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電界効果
型トランジスタ。
（４）▲数式、化学式、表等があります▼（ただしＸは
ＳまたはＯ、Ｒ、Ｒ’はＨ、ＣＨ＿３、ＯＣＨ＿３、Ｃ
＿２Ｈ＿５またはＯＣ＿２Ｈ＿５である。）なる構造を
有するπ−共役系高分子膜を電気化学的重合法（電解重
合法）によって得ることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の電界効果型トランジスタ。
（５）▲数式、化学式、表等があります▼（ただしＸは
ＳまたはＯ、Ｒ、Ｒ’はＨ、ＣＨ＿３、ＯＣＨ＿３、Ｃ
＿２Ｈ＿５またはＯＣ＿２Ｈ＿５である。）なる構造を
有するπ−共役系高分子膜を化学的重合法（化学酸化重
合法）によって得ることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の電界効果型トランジスタ。