JPWO2009044614A1 - 有機半導体装置 - Google Patents
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Abstract
低電圧駆動，高駆動電流の有機薄膜トランジスタを有する集積化に適した有機半導体装置を提供する。基板（１０）と、基板（１０）上に配置されたゲート電極（１２）と、ゲート電極（１２）上に配置された 第１ゲート絶縁膜（１５）と、第１ゲート絶縁膜（１５）上に配置された第２ゲート絶縁膜（１７）と、第２ゲート絶縁膜（１７）上に配置され,第１金属層（１６,１８）と第２金属層（２０,２２）の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８,２２）間であってゲート絶縁膜（１７）上に配置された有機半導体層（２４）とを備える有機薄膜トランジスタを備え、第１ゲート絶縁膜（１５）は第２ゲート絶縁膜（１７）よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、第２ゲート絶縁膜（１７）は第１ゲート絶縁膜（１５）よりも薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有する。
Description
本発明は、有機半導体装置に関し、特に高誘電率絶縁膜と極薄酸化膜の積層構造を有し、或いはソース／ドレイン電極に仕事関数の大きな材料を用い、トランジスタ性能の向上した有機半導体装置に関する。
有機半導体を用いた回路素子において、長期間安定して有機半導体の特性を維持し、また外部からの種々の応力および衝撃などに対しても耐久性が高い、信頼性に優れた回路素子が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に係る回路素子においては、有機半導体を含む回路部を基板上に形成してなる回路素子であって、当該回路部を所定空間をもって、囲む封止缶を有することを特徴とする。
一方、大気中の水蒸気の存在に起因して特性が変化若しくは劣化することを抑制し得る構造を有する電界効果トランジスタが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２に開示された電界効果トランジスタは、基体上に形成されたゲート電極と、ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたソース／ドレイン電極と、および、ソース／ドレイン電極間であってゲート絶縁膜上に形成された有機半導体材料層からなるチャネル形成領域とを備える。少なくともチャネル形成領域の上には保護層が形成され、この保護層は、少なくとも、吸湿性を有する層と、耐湿性を有する層の積層構造を有する。
一方、タンタル酸化膜（タンタルオキサイド：Ｔａ2Ｏ5）膜は、その高誘電率（バルクの比誘電率が２５）な電気特性のために、トランジスタのゲート絶縁膜として用いると、ゲート駆動電圧を大きく低減することが可能であるが、Ｔａ2Ｏ5膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性のために、安定したゲート絶縁膜として用いることができず、トランジスタを高性能とすることが困難だった。
また、タンタル酸化膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用いる場合には、表面改質が非常に困難であり、有機半導体材料の配向制御も良好でなく、有機トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成することが困難であった。
特開２００５−２７７０６５号公報
特開２００５−１９１０７７号公報
タンタル酸化膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用いる場合には、表面改質が非常に困難であり、有機半導体材料の配向制御も良好でなく、有機トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成することが困難であった。
また、金（Ａｕ）電極を有機薄膜トランジスタのソース／ドレイン電極として使用する場合にはその比較的大きな仕事関数のため、有機半導体層への正孔注入が容易であるが、仕事関数の大きな有機半導体層に対しては必ずしも正孔注入量が十分では無かった。又、特に、ボトムコンタクト型の有機トランジスタにおいて、有機半導体層／無機電極界面の接触抵抗が大きいという課題があった。
本発明の目的は、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することにある。
本発明の目的は、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、前記第２ゲート絶縁膜上に配置され,第１金属層と第２金属層の積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極間であって前記第２ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層とを備える有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、前記第２ゲート絶縁膜上に配置された第３ゲート絶縁膜と、前記第３ゲート絶縁膜上に配置され,第１金属層と第２金属層の積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極間であって前記ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層とを備える有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、前記第２ゲート絶縁膜上に配置された第３ゲート絶縁膜と、前記第３ゲート絶縁膜上に配置された第４ゲート絶縁膜と、前記第４ゲート絶縁膜上に配置された第５ゲート絶縁膜と、前記第５ゲート絶縁膜上に配置され,第１金属層と第２金属層の積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極間であって前記第５ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層とを備える有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置が提供される。
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、前記第２ゲート絶縁膜上に配置された第１金属層と、前記第１金属層上に配置された第２金属層の積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極間であって前記第２ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層とを備え、前記第１金属層の仕事関数は前記第２金属層の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、前記第２ゲート絶縁膜上に配置された第１金属層と、前記第１金属層上に配置された第２金属層と、前記第２金属層上に配置された第３金属層との積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極間であって前記第３ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層とを備え、前記第１金属層および前記第３金属層の仕事関数は前記第２金属層の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、前記第２ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層と、前記有機半導体層上に配置された第１金属層と、前記第１金属層上に配置された第２金属層の積層構造からなるソース電極およびドレイン電極とを備え、前記第１金属層の仕事関数は前記第２金属層の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、前記第２ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層と、前記有機半導体層上に配置された第１金属層と、前記第１金属層上に配置された第２金属層と、前記第２金属層上に配置された第３金属層との積層構造からなるソース電極およびドレイン電極とを備え、前記第１金属層および前記第３金属層の仕事関数は前記第２金属層の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、シリコン酸化膜の表面をＡｒ逆スパッタリング，ＵＶ／Ｏ3処理，ＨＭＤＳ処理によりあるいはその組み合わせにより表面修飾を行ったことを特徴とする有機半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、有機ＣＭＯＳＦＥＴ、有機集積回路、有機発光デバイス、フラットパネルディスプレイ、フレキシブルエレクトロニクス、および透明エレクトロニクスのいずれか若しくは組み合わせに適用されることを特徴とする有機半導体装置が提供される。
本発明によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明によれば、タンタル酸化膜と極薄（約２０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
本発明によれば、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
１０…基板
１２,１２０…ゲート電極
１３,１４,１５,１７,２６,２８,１７０…ゲート絶縁膜
１６,２０,１６０,２６０…金属層（ソース電極）
１８,２２,１８０,２８０…金属層（ドレイン電極）
２４,４０…ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）
３０,３２…絶縁膜
３４,３６…電極
３８…有機半導体層
４２,４４, １３２…正孔輸送層
４６,１３６…電子輸送層
４８…導電体層
５０…カラーフィルタ
１３０…アノード電極
１３４…白色発光層
１３８…カソード電極
３００…レジスト層
３２０…側壁電極
１２,１２０…ゲート電極
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１３４…白色発光層
１３８…カソード電極
３００…レジスト層
３２０…側壁電極
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
［比較例］
（比較例１）
図１は、本発明の第１の比較例に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図２は、本発明の第２の比較例に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
（比較例１）
図１は、本発明の第１の比較例に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図２は、本発明の第２の比較例に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
本発明の第１の比較例に係る有機半導体装置の構造は、図１に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｔａ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され,厚さ約２５０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ（化学的気相堆積：Chemical Vapor Deposition）−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１４と、ゲート絶縁膜１４上に配置され,厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８,２２）間であってゲート絶縁膜１４上に配置され,後述するＰｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍの有機半導体層２４とを備える。
有機半導体層２４を形成するための前処理として、シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１４の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにヘキサメチルジンラザン（ＨＭＤＳ）処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。しかしながら、このような有機薄膜トランジスタの試作結果によれば、所定のドレイン電流ＩDを確保するためには、デート電圧を数１０Ｖも印加する必要があり、ゲート電圧による制御性は良好ではないという結果が得られている。これは、ゲート絶縁膜１４を相対的に厚さが約２５０ｎｍと厚く、かつ比誘電率の相対的に低いシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）を用いているためである。
（比較例２）
また、本発明の第２の比較例に係る有機薄膜トランジスタの構造は、図２に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｔａ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され,厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ（物理的気相堆積：Physical Vapor Deposition）−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８,２２）間であってゲート絶縁膜１５上に配置され, 後述するＰｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍの有機半導体層２４とを備える。
また、本発明の第２の比較例に係る有機薄膜トランジスタの構造は、図２に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｔａ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され,厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ（物理的気相堆積：Physical Vapor Deposition）−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８,２２）間であってゲート絶縁膜１５上に配置され, 後述するＰｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍの有機半導体層２４とを備える。
比較例２の形成工程においても有機半導体層２４を形成するための前処理として、タンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにＨＭＤＳ処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。しかしながら、このような有機半導体装置の試作結果によれば、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシスが観測され、またドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランスコンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値もきわめて小さいという結果が得られている。これは、前述の通り、Ｔａ2Ｏ5膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が観測されたためであると考えられる。
（比較例３）
図３は、本発明の第３の比較例に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図４は、本発明の第４の比較例に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
図３は、本発明の第３の比較例に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図４は、本発明の第４の比較例に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
本発明の第３の比較例に係る有機半導体装置の構造は、図３に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｔａ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され,厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ（物理的気相堆積：Physical Vapor Deposition）−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され,厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８,２２）間であってゲート絶縁膜１５上に配置され,後述するＰｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍの有機半導体層２４とを備える。
有機半導体層２４を形成するための前処理として、タンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにヘキサメチルジンラザン（ＨＭＤＳ）処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。しかしながら、このような有機半導体装置の試作結果によれば、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシスが観測され、またドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランスコンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値もきわめて小さいという結果が得られている。これは、Ｔａ2Ｏ5膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が観測されたためである。
（比較例４）
また、本発明の第４の比較例に係る有機薄膜トランジスタの構造は、図４に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｎｄ層からなるゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７上に配置され,厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８,２２）間であってゲート絶縁膜１７上に配置され, 後述するＰｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍの有機半導体層２４とを備える。
また、本発明の第４の比較例に係る有機薄膜トランジスタの構造は、図４に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｎｄ層からなるゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７上に配置され,厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８,２２）間であってゲート絶縁膜１７上に配置され, 後述するＰｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍの有機半導体層２４とを備える。
比較例４の形成工程においても有機半導体層２４を形成するための前処理として、シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにＨＭＤＳ処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。しかしながら、このような有機半導体装置の試作結果によれば、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシス特性は改善されたものの、オン電流値が低く、またドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランスコンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値も小さいという結果が得られている。これは、タンタル酸化膜からなるゲート絶縁膜１５上にシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７を形成したことによって、タンタル酸化膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が改善されたためである。一方、ソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）を形成するＡｕ層２０，２２はその比較的大きな仕事関数のため、有機半導体層２４への正孔注入が容易であるが、Ｃｒ層１６、１８は、相対的に小さな仕事関数を有するため、仕事関数の大きな有機半導体層２４への正孔注入は必ずしも十分では無い。又、特に、図４に示すようなボトムコンタクト型の有機半導体トランジスタにおいて、有機半導体層２４／無機電極（１６,１８,２０,２２）界面の接触抵抗が大きい。このため、本発明の第４の比較例に係る有機薄膜トランジスタにおける特性では、オン抵抗が高い。
[第１の実施の形態]
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図６および図７は、本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置のドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性例、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性例をそれぞれ示している。
図５は、本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図６および図７は、本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置のドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性例、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性例をそれぞれ示している。
本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図５に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７上に配置された金属層１６,１８と金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８，２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８，２２）間であってゲート絶縁膜１７上に配置された有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
また、有機薄膜トランジスタの周辺部において、ゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されるゲート絶縁膜１７の積層構造からなる積層型層間絶縁膜をさらに備えていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５はゲート絶縁膜１７よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、ゲート絶縁膜１７はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは、望ましくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５はタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
また、例えば、ゲート絶縁膜１５はスパッタリングにより形成されたタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７は低温化学的気相成長法により形成され，ゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５は、例えば、厚さ１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７はゲート絶縁膜１５よりも薄く、例えば、約２０ｎｍ以下のシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
上記のように、ゲート絶縁膜１７を低温成膜の薄いシリコン酸化膜で形成することによって、スパッタリング法若しくは陽極酸化法によるタンタル酸化膜と共に、プラスチックなどのフレキシブル基板へのプロセス処理が容易になる。
さらに、具体的に、本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図５に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｔａ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７上に配置され, 厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６，２０）およびドレイン電極（１８，２２）と、ソース電極（１６，２０）とドレイン電極（１８，２２）間であってゲート絶縁膜１７上に配置され，例えば、後述するＰｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置の形成工程においても有機半導体層２４を形成するための前処理として、シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにＨＭＤＳ処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。
このような有機半導体装置の試作結果によれば、図６に示すように、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシスが観測されず、また、図７に示すように、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランスコンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値も比較例２に比べ高いという結果が得られている。図６および図７の結果は、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝１０００μｍ／５μｍ＝２００の寸法を有する有機半導体装置の特性例である。
本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置においては、Ｔａ2Ｏ5膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が改善され、十分にトランジスタ特性の性能改善効果が得られている。
本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５上に、ゲート絶縁膜１７として、極薄（約２０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）を積層化形成することにより、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層２４との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを形成することが可能になった。
その結果、タンタル酸化膜を有機薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として用いることにより、タンタル酸化膜本来の高誘電率特性を十分に活用することが可能となり、低電圧駆動，高駆動電流の有機薄膜トランジスタを備える有機半導体装置を形成することが可能になった。
さらに、有機薄膜トランジスタの高トランスコンダクタンス性能によって、高周波特性も向上し、高速スイッチング性能の有機薄膜トランジスタを備える有機半導体装置を形成することが可能になった。
尚、最終的な構造としては、図５には図示を省略されているが、有機半導体層２４上には、低温成長によって形成された窒化膜やシリコン酸化膜、或いはこれらの積層構造をパッシベーション膜として形成しても良い。或いはまた、無機膜と有機膜の積層膜をパッシベーション膜として形成しても良い。さらに、所定空間をもって、囲む封止缶によるパッケージ構造を備えていても良い。
また、本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置においては、ｐ型有機半導体層２４上に正孔輸送層を配置し、さらに正孔輸送層上に電子輸送層を配置し、さらにこの電子輸送層上にキャップ用の導電体層を配置した積層構造を備えていても良い。すなわち、ｐ型有機半導体層２４と導電体層の間に電子輸送層と正孔輸送層で構成されるｐｎダイオードが形成されていてもよい。
この場合、本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置は、ｐ型有機半導体層２４のＨＯＭＯ(Highest Occupied Molecular Orbital)のエネルギー準位の絶対値がキャップ用の導電体層の仕事関数の絶対値よりも大きくすると良い。
ここで、ＨＯＭＯのエネルギー準位とは、有機分子の基底状態を表す。また、ＬＵＭＯ(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)のエネルギー準位とは、有機分子の励起状態を表す。ここで、ＬＵＭＯ準位は最低励起一重項準位（Ｓ1）に対応する。さらに電子や正孔が有機物に注入され、ラジカルアニオン（Ｍ-）,ラジカルカチオン（Ｍ+）が形成された場合の正孔および電子の準位は、励起子結合エネルギーが存在しない分、ＨＯＭＯ準位,ＬＵＭＯ準位の外側の位置に電子伝導準位、正孔伝導準位が位置することになる。
ｐ型有機半導体層２４の代わりにｎ型有機半導体層を適用する場合には、ｎ型有機半導体層のＬＵＭＯのエネルギー準位の絶対値が導電体層の仕事関数の絶対値よりも小さくすれば良い。
正孔輸送層としては、例えば、α−ＮＰＤを用いることができる。ここで、α−ＮＰＤは、４,４−ビスＮ−（１−ナフチル−１−）[Ｎ−フェニル−アミノ]−ビフェニル（4,4-bis[N-(1-naphtyl-1-)N-phenyl-amino]-biphenyl）と呼ばれる。
電子輸送層としては、例えばＡｌｑ３などで形成することができる。ここで、Ａｌｑ３は、アルミニウム８−ヒドロキシキノリネート（Aluminum 8-hydroxyquinolinate）或いは、トリ８−キノリノラトアルミニウムと呼ばれる材料である。
導電体層は、例えば、ＭｇＡｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属材料、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成することができる。
上記ｐｎダイオードによって、ソース電極（１６，２０）とドレイン電極（１８，２２）間の短絡を防止することもできる。すなわち、上記ｐｎダイオードによって、キャリアの逆流を防ぐことができ、導電体層を介してソース・ドレイン間が短絡することは原理的に発生しない。
ｐ型トランジスタとして、ソース・ドレイン間にバイアス電圧を印加する場合、導電体層とドレイン電極（１８，２２）間は、電界の向きがｐｎ接合の逆方向バイアスにあたるため、導電体層を介してソース電極（１６，２０）とドレイン電極（１８，２２）間が短絡することはない。
同様に、ソース・ドレイン間にバイアス電圧を印加した場合、キャップ用の導電体層とソース電極（１６，２０）間は、ｐｎ接合の順方向バイアスにあたるため、キャップ用の導電体層はソース電極（基準電位）からｐｎ接合の順方向電圧降下（Ｖｆ）分の電位差をもって安定する。また、ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４内部の電位は、キャップ用の導電体層の電磁シールド効果によって安定化する。
本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置の構造において、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０は、例えば、厚さ約３０μｍ〜１ｍｍ程度のガラス基板,ステンレス基板,サファイア基板,シリコン基板などの無機材料基板、或いは、ポリイミド（ＰＩ）,ポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ),ポリエチレンナフタレート(ＰＥＮ),ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）などの有機材料基板、或いはプラスチック基板などが用いられる。
ゲート電極１２は、上記の例ではＡｌ−Ｔａ層を開示したが、他には、例えばＭｇＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属、或いは、例えばＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、或いは、例えば、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成される。ここで、ＰＥＤＯＴとは、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳであり、ポリ−（３,４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリスチレンスルフォネート（Poly-(3,4-ethylenedioxy-thiophene):poly-styrenesulfonate）と呼ばれる材料である。
ゲート絶縁膜１５は、上記の例ではＴａ2Ｏ5層の例を開示したが、他には、例えば、Ｓｉ3 Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3 、ＴｉＯ2などのシリコン酸化膜に比べて高比誘電率の無機絶縁体材料、或いは、ポリイミド（ＰＩ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などの有機絶縁体材料を用いることもできる。
ソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）には、上記の例ではＣｒ層１６，１８／Ａｕ層２０，２２の例を開示したが、他には、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属、或いはＰｔ，Ｔａなどの仕事関数の高い金属、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴ：ポリ３,４−エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）、ＰＶＰＴＡ２：ＴＢＰＡＨ、Ｅｔ−ＰＴＰＤＥＫ：ＴＢＰＡＨなどの有機導電体材料が用いられ、ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４へのキャリア注入に適した材料を使用する。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４は、例えば、ペンタセン、ポリ−３−ヘキシルチオフェン(Ｐ３ＨＴ)、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）などの有機半導体材料で形成される。
ペンタセンは、後述する図３６（ｃ）に示すような分子構造を有する。ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）は、後述する図３７（ｄ）に示すような分子構造を有する。銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）は、後述する図３６（ｄ）に示すような分子構造を有する。
或いはまた、ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４には、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
（ｐ型有機半導体材料）
図３６は、本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置のｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４に適用可能なｐ型有機半導体材料の分子構造例である。
図３６は、本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置のｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４に適用可能なｐ型有機半導体材料の分子構造例である。
図３６（ａ）は、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）：１,６ビス（２−（４−メチルフェニル）ビニル）ピレンの分子構造例を示す。ここでは分子構造の記載を省略するが、例えば同様の適用可能なフェニル系有機半導体材料としては、Ｐｙ１０５：１,６ビス（２−（４−ブフェニル）ビニル）ピレン、ＳＴ１０：４,４’ビス（２−（４−オクチルフェニル）ビニル）ビフェニル、ＳＴ１２６：４,４’ビス（２−（４−オクチルフェニル）ビニル）ｐ−ターフェニル、ＳＴ１２８：１,６ビス（２−（４−ヘキシルフェニル）ビニル）ビフェニル、ＳＴ９４：１,４ビス（２−（４−（４−ブチルフェニル）フェニル）ビニル）ベンゼン、ＳＴ１２４：４,４’ビス（２−（５−オクチルチオフェン−２−イル）ビニル）ビフェニルなどがある。
図３６（ｂ）は、アセン系材料としてのテトラセンの分子構造例、図３６（ｃ）は、アセン系材料としてのペンタセンの分子構造例、図３６（ｄ）は、フタロシアニン系材料としての銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）の分子構造例、図３６（ｅ）は、α―ＮＰＤの分子構造例、図３６（ｆ）は、Ｐ−６Ｐの分子構造例、図３６（ｇ）は、ＤＢＴＢＴの分子構造例、図３６（ｈ）は、ＢＶ２ＴＶＢの分子構造例、図３６（ｉ）は、ＢＰ２Ｔの分子構造例、図３６（ｊ）は、ＤＨＡＤＴの分子構造例をそれぞれ示す。
さらに、図３７は、本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置のｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４に適用可能な高分子系半導体材料の分子構造例である。
図３７（ａ）は、ポリチオフェン（ＰＴ）の分子構造例、図３７（ｂ）は、ポリアセチレン（ＰＡ）の分子構造例、図３７（ｃ）は、ポリチエニレンビニレン（ＰＴＶ）の分子構造例、図３７（ｄ）は、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）の分子構造例、図３７（ｅ）は、９,９−ジオクチルフルオレン−ビチオフェン共重合体（Ｆ８Ｔ２）の分子構造例をそれぞれ示す。
本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約２０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
[第２の実施の形態]
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図９および図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置のドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性例、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性例をそれぞれ示す。
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図９および図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置のドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性例、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性例をそれぞれ示す。
本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図８に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置された金属層１６,１８と金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８，２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８，２２）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置された有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
また、ゲート絶縁膜１５はゲート絶縁膜１７０よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５はタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
また、例えば、ゲート絶縁膜１５はスパッタリングにより形成されたタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０は低温化学的気相成長法により形成され，ゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５は、例えば、厚さ１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄く、例えば、約５ｎｍ以下のシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
上記のように、ゲート絶縁膜１７０を低温成膜の薄いシリコン酸化膜で形成することによって、スパッタリング法若しくは陽極酸化法によるタンタル酸化膜と共に、プラスチックなどのフレキシブル基板へのプロセス処理が容易になる。
さらに、具体的に、本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図８に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｔａ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約５ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され, 厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極(１６，２０)およびドレイン電極(１８，２２)と、ソース電極(１６，２０)とドレイン電極(１８，２２)間であってゲート絶縁膜１７０上に配置され，例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置の形成工程においても有機半導体層２４を形成するための前処理として、シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにＨＭＤＳ処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。
このような有機半導体装置の試作結果によれば、図９に示すように、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシスが観測されず、また、図１０に示すように、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランス（相互）コンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値も第１の実施の形態に比べ高いという結果が得られている。図９および図１０の結果は、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝１０００μｍ／５μｍ＝２００の寸法を有する有機半導体装置の特性例である。
すなわち、本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置においては、タンタル酸化膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が改善され、十分にトランジスタ特性の性能改善効果が得られている。
本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜からなるゲート絶縁膜１５上に、ゲート絶縁膜１７０として、極薄（約５ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）を積層化形成することにより、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層２４との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを形成することが可能になった。
その結果、タンタル酸化膜を有機薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として用いることにより、タンタル酸化膜本来の高誘電率特性十分に活用することが可能となり、低電圧駆動，高駆動電流の有機薄膜トランジスタを備える有機半導体装置を形成することが可能になった。
さらに、有機薄膜トランジスタの高トランスコンダクタンス性能によって、高周波特性も向上し、高速スイッチング性能の有機薄膜トランジスタを備える有機半導体装置を形成することが可能になった。
図１１は、本発明の第１の実施の形態（Ｂ）および第２実施の形態（Ｃ）と比較例２（Ａ）に係る有機薄膜トランジスタのキャリアモビリティーμFET（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）の特性比較例を示す。図１１から明らかなように、比較例２に比べ、第１の実施の形態、第２実施の形態（Ｃ）の順にキャリアモビリティーμFET（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）の特性が向上している。ここで、μFET（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）は、有機半導体層２４のキャリアモビリティーである。
第２実施の形態（Ｃ）においては、タンタル酸化膜からなるゲート絶縁膜１５上に、ゲート絶縁膜１７０として、第１の実施の形態（Ｂ）に比較して、約半分の厚さの極薄（約５ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）を積層化形成することにより、キャリアモビリティーμFET（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）の特性が向上している。
また、図１２は、本発明の第１の実施の形態（Ｂ）および第２実施の形態（Ｃ）と比較例２（Ａ）に係る有機薄膜トランジスタのオン／オフ比の特性比較例を示す。図１２から明らかなように、比較例２に比べ、第１の実施の形態、第２実施の形態（Ｃ）の順にオン／オフ比の特性が向上している。
また、図１３は、本発明の第１の実施の形態（Ｂ）および第２実施の形態（Ｃ）と比較例２（Ａ）に係る有機薄膜トランジスタのオン電流（Ａ）の特性比較例を示す。図１３から明らかなように、比較例２に比べ、第１の実施の形態、第２実施の形態（Ｃ）の順にオン電流の特性が向上している。
図１２および図１３に示す特性は、キャリアモビリティーμFET（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）の特性向上に伴い、直流的なトランスコンダクタンスｇｍが向上し、それに伴って、オン抵抗が低減され、オン電流が増大したためである。
また、図１４は、本発明の第１乃至第２の実施の形態に係る有機半導体装置において、ゲート絶縁膜１５を形成するタンタル酸化膜の膜厚をパラメータとし、縦軸にゲートキャパシタＣOX（Ｆ／ｃｍ2）をとり、横軸にゲート絶縁膜１７,１７０を形成するシリコン酸化膜の膜厚をとった場合の特性図を示す。図１４中には、シリコン酸化膜の膜厚が零の場合で、タンタル酸化膜の膜厚が１００ｎｍの場合と、単層でシリコン酸化膜の膜厚が２５０ｎｍの場合についても示す。
ＣOX（Ｆ／ｃｍ2）は、ゲート絶縁膜の単位面積当りのゲートキャパシタであり、トランスコンダクタンスｇｍ＝（Ｗ／Ｌ）・ＣOX・μFET・ＶDSの関係が成立する。ここで、Ｗは有機薄膜トランジスタのチャネル幅、Ｌは有機薄膜トランジスタのチャネル長、ＶDSドレイン・ソース間に印加する電圧値である。
図１１乃至図１４の結果は、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝１０００μｍ／５μｍ＝２００の寸法を有する有機半導体装置の特性例である。
ゲートキャパシタＣOX（Ｆ／ｃｍ2）の値を増加させることによって、トランスコンダクタンスｇｍの値が増大し、有機薄膜トランジスタの性能が向上する。ゲートキャパシタＣOX（Ｆ／ｃｍ2）の値を増加させるためには、図１４から明らかなように、有機半導体層２４に接するゲート絶縁膜１７０の厚さを、例えば約５ｎｍ以下とし、タンタル酸化膜からなるゲート絶縁膜１５の厚さを、例えば約１００ｎｍ以下とすれば良い。
尚、第１の実施の形態と同様に、本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置においても、最終的な構造としては、図６には図示を省略されているが、有機半導体層２４上には、低温成長によって形成された窒化膜やシリコン酸化膜、或いはこれらの積層構造をパッシベーション膜として形成しても良い。さらに、所定空間をもって、囲む封止缶によるパッケージ構造を備えていても良い。
また、第１の実施の形態と同様に、本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置においても、ｐ型有機半導体層２４上に正孔輸送層を配置し、さらに正孔輸送層上に電子輸送層を配置し、さらにこの電子輸送層上にキャップ用の導電体層を配置した積層構造を備えていても良い。すなわち、ｐ型有機半導体層２４と導電体層の間に電子輸送層と正孔輸送層で構成されるｐｎダイオードが形成されていてもよい。
この場合、本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置は、ｐ型有機半導体層２４のＨＯＭＯのエネルギー準位の絶対値がキャップ用の導電体層の仕事関数の絶対値よりも大きくすると良い。ｐ型有機半導体層２４の代わりにｎ型有機半導体層を適用する場合には、ｎ型有機半導体層のＬＵＭＯのエネルギー準位の絶対値が導電体層の仕事関数の絶対値よりも小さくすれば良い。
上記の正孔輸送層としては、例えば、α−ＮＰＤを用いることができる。電子輸送層としては、例えばＡｌｑ３などで形成することができる。導電体層は、例えば、ＭｇＡｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属材料、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成することができる。
本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置の構造においても、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０の材料としては、第１の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート電極１２の材料としても、第１の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜１５の材料としても、第１の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）の材料としても、第１の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４を、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導体材料の分子構造例は、本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約５ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
[第３の実施の形態]
図１５は、発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
図１５は、発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置は、図１５に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置されたゲート絶縁膜１３と、ゲート絶縁膜１３上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され,金属層１６,１８と金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６、２０）およびドレイン電極（１８、２２）と、ソース電極（１６、２０）とドレイン電極８１８、２２）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置された有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする。
また、ゲート絶縁膜１５は、例えば、厚さ１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１３および１７０は、例えば、約１０ｎｍ以下のシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成され、全体として、サンドイッチ構造の積層型ゲート絶縁膜を備えていても良い。
上記のように、ゲート絶縁膜１３および１７０を低温成膜の薄いシリコン酸化膜で形成することによって、スパッタリング法若しくは陽極酸化法によるタンタル酸化膜と共に、プラスチックなどのフレキシブル基板へのプロセス処理が容易になる。
さらに、具体的に、本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図１５に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｔａ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１３と、ゲート絶縁膜１３上に配置され,厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され, 厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６，２０）およびドレイン電極（１８，２２）と、ソース電極（１６，２０）とドレイン電極（１８，２２）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置され，例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
第１の実施の形態および第２の実施の形態と同様に、本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置の形成工程においても有機半導体層２４を形成するための前処理として、シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにＨＭＤＳ処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。
このような有機半導体装置の試作結果によれば、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシスが観測されず、また、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランスコンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値も第２の実施の形態と同様に高いという結果が得られている。
すなわち、本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置においても、タンタル酸化膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が改善され、十分にトランジスタ特性の性能改善効果が得られている。
本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜からなるゲート絶縁膜１５上に、ゲート絶縁膜１７０として、極薄（約１０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）を積層化形成することにより、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層２４との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを形成することが可能になった。
その結果、タンタル酸化膜を有機薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として用いることにより、タンタル酸化膜本来の高誘電率特性を十分に活用することが可能となり、低電圧駆動，高駆動電流の有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を形成することが可能になった。
さらに、有機薄膜トランジスタの高トランスコンダクタンス性能によって、高周波特性も向上し、高速スイッチング性能の有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を形成することが可能になった。
また、基板１０およびゲート電極１２とタンタル酸化膜からなるゲート絶縁膜１５との間に、厚さ約１０ｎｍ程度の極薄シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１３を介在させることにより、積層型絶縁膜（１３／１５／１７０）と基板１０およびゲート電極１２との密着性を向上することができる。
尚、本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置においても、最終的な構造としては、図１５には図示を省略されているが、有機半導体層２４上には、低温成長によって形成された窒化膜やシリコン酸化膜、或いはこれらの積層構造をパッシベーション膜として形成しても良い。さらに、所定空間をもって、囲む封止缶によるパッケージ構造を備えていても良い。
また、本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置においても、ｐ型有機半導体層２４上に正孔輸送層を配置し、さらに正孔輸送層上に電子輸送層を配置し、さらにこの電子輸送層上にキャップ用の導電体層を配置した積層構造を備えていても良い。すなわち、ｐ型有機半導体層２４と導電体層の間に電子輸送層と正孔輸送層で構成されるｐｎダイオードが形成されていてもよい。
この場合、本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置は、ｐ型有機半導体層２４のＨＯＭＯのエネルギー準位の絶対値がキャップ用の導電体層の仕事関数の絶対値よりも大きくすると良い。ｐ型有機半導体層２４の代わりにｎ型有機半導体層を適用する場合には、ｎ型有機半導体層のＬＵＭＯのエネルギー準位の絶対値が導電体層の仕事関数の絶対値よりも小さくすれば良い。
上記の正孔輸送層としては、例えば、α−ＮＰＤを用いることができる。電子輸送層としては、例えばＡｌｑ３などで形成することができる。導電体層は、例えば、ＭｇＡｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属材料、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成することができる。
本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置の構造においても、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０の材料としては、第１乃至第２の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート電極１２の材料としても、第１乃至第２の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜１５の材料としても、第１乃至第２の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２０）の材料としても、第１乃至第２の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４を、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導体材料の分子構造例は、本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約１０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
[第４の実施の形態]
図１６は、周辺部に積層型層間絶縁膜を形成し、集積化した本発明の第４の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
図１６は、周辺部に積層型層間絶縁膜を形成し、集積化した本発明の第４の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
本発明の第４の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図１６に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置された金属層１６,１８と金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８，２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８，２２）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置された有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタと、当該有機薄膜トランジスタの周辺部において集積化され、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート絶縁膜３０と、ゲート絶縁膜３０上に配置されたゲート絶縁膜３２とを備える積層型層間絶縁膜（３０、３２）を有する。
また、ゲート絶縁膜３２上に配置された金属層３４と、金属層３４上に配置された金属層３６と、金属層３６上に配置された有機半導体層３８とを備えていても良い。
さらに、具体的に、本発明の第４の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図１６に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｔａ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され, 厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６，２０）およびドレイン電極（１８，２２）と、ソース電極（１６，２０）とドレイン電極（１８，２２）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置され，例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタと、当該有機薄膜トランジスタの周辺部において集積化され、基板１０と、基板１０上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜３０と、ゲート絶縁膜３０上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜３２とを備える積層型層間絶縁膜（３０、３２）とを有する。
また、ゲート絶縁膜３２上に配置され, 厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層３４と、金属層３４上に配置され, 厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層３６と、金属層３６上に配置され, 例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層３８とを備えていても良い。
上記構成において、ゲート絶縁膜１５とゲート絶縁膜３０は同時に形成することができる。また、ゲート絶縁膜１７０とゲート絶縁膜３２も同時に形成することができる。また、金属層３４と金属層１６,１８も同時に形成することができ、金属層３６と金属層２０,２２も同時に形成することができる。さらに、ｐ型有機半導体層３８とｐ型有機半導体層２４も同時に形成することができる。
したがって、本発明の第４の実施の形態に係る有機半導体装置においては、図１６に示すように、例えば、図８に示した本発明の第２の実施の形態に係る有機半導体装置の周辺部において、集積化された積層型層間絶縁膜を同時に形成することができる。
上記の積層型層間絶縁膜の構造は、図１６の構造に限るものではない。例えば、図１５に示した本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置の周辺部において、集積化された積層型層間絶縁膜を同時に形成することもできる。
同様に、例えば、後述する図１７に示す本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置の周辺部において、集積化された積層型層間絶縁膜を同時に形成することもできる。
本発明の第４の実施の形態に係る有機半導体装置においても、最終的な構造としては、図１６には図示を省略されているが、有機半導体層２４,３８上には、低温成長によって形成された窒化膜やシリコン酸化膜、或いはこれらの積層構造をパッシベーション膜として形成しても良い。さらに、所定空間をもって、囲む封止缶によるパッケージ構造を備えていても良い。
本発明の第４の実施の形態に係る有機半導体装置の構造においても、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０の材料としては、第１乃至第３の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート電極１２の材料としても、第１乃至第３の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜１５および３０の材料としても、第１乃至第３の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２０）の材料としても、第１乃至第３の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ｐ型有機半導体層２４或いは３８を、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導材料は、本発明の第４の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
本発明の第４の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成し、周辺部の積層型層間絶縁膜とともに集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第４の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約１０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを形成することが可能になり、周辺部の積層型層間絶縁膜とともに集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
[第５の実施の形態]
図１７は、本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
図１７は、本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置は、図１７に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置されたゲート絶縁膜１３と、ゲート絶縁膜１３上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜２６と、ゲート絶縁膜２６上に配置されたゲート絶縁膜２８と、ゲート絶縁膜２８上に配置されたゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され,金属層１６,１８と金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２２）と、ソース電極（１６,２０）とドレイン電極（１８,２２）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置された有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする。
また、ゲート絶縁膜１５および２８は、例えば、厚さ約１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１３および１７０は、例えば、厚さ約１０ｎｍ以下のシリコン酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜２６は、例えば、厚さ約１００ｎｍ以下のチタン酸化膜（ＴｉＯ2）で構成され、全体として、積層型ゲート絶縁膜を備えていても良い。
さらに、具体的に、本発明の第３の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図１７に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｔａ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１３と、ゲート絶縁膜１３上に配置され,厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのチタン酸化膜（ＴｉＯ2）からなるゲート絶縁膜２６と、ゲート絶縁膜２６上に配置され,厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜２８と、ゲート絶縁膜２８上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され, 厚さ約１．２ｎｍのＣｒ層からなる金属層１６,１８と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６，２０）およびドレイン電極（１８，２２）と、ソース電極（１６，２０）とドレイン電極（１８，２２）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置され，例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
第１乃至第３の実施の形態と同様に、本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置の形成工程においても有機半導体層２４を形成するための前処理として、シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにＨＭＤＳ処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。
このような有機半導体装置の試作結果によれば、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシスが観測されず、また、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランスコンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値も第２乃至第３の実施の形態と同様に高いという結果が得られている。
すなわち、本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置においても、タンタル酸化膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が改善され、十分にトランジスタ特性の性能改善効果が得られている。
本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜からなるゲート絶縁膜１５上に、ゲート絶縁膜２６／ゲート絶縁膜２８／ゲート絶縁膜１７０の３層の積層構造を形成し、特にゲート絶縁膜１７０として、極薄（約１０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）を積層化形成することにより、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層２４との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを製造することが可能になった。
その結果、タンタル酸化膜を有機薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として用いることにより、タンタル酸化膜本来の高誘電率特性を十分に活用することが可能となり、低電圧駆動，高駆動電流の有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を形成することが可能になった。
さらに、有機薄膜トランジスタの高トランスコンダクタンス性能によって、高周波特性も向上し、高速スイッチング性能の有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を形成することが可能になった。
また、基板１０およびゲート電極１２とタンタル酸化膜からなるゲート絶縁膜１５との間に、厚さ約１０ｎｍ程度の極薄シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１３を介在させ、かつゲート絶縁膜１５上にゲート絶縁膜２６／ゲート絶縁膜２８／ゲート絶縁膜１７０の積層構造を形成することにより、積層型絶縁膜（１３／１５／２６／２８／１７０）と基板１０およびゲート電極１２との密着性を向上することができる。
尚、本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置においても、最終的な構造としては、図１７には図示を省略されているが、有機半導体層２４上には、低温成長によって形成された窒化膜やシリコン酸化膜、或いはこれらの積層構造をパッシベーション膜として形成しても良い。さらに、所定空間をもって、囲む封止缶によるパッケージ構造を備えていても良い。
また、本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置においても、ｐ型有機半導体層２４上に正孔輸送層を配置し、さらに正孔輸送層上に電子輸送層を配置し、さらにこの電子輸送層上にキャップ用の導電体層を配置した積層構造を備えていても良い。すなわち、ｐ型有機半導体層２４と導電体層の間に電子輸送層と正孔輸送層で構成されるｐｎダイオードが形成されていてもよい。
この場合、本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置は、ｐ型有機半導体層２４のＨＯＭＯのエネルギー準位の絶対値がキャップ用の導電体層の仕事関数の絶対値よりも大きくすると良い。ｐ型有機半導体層２４の代わりにｎ型有機半導体層を適用する場合には、ｎ型有機半導体層のＬＵＭＯのエネルギー準位の絶対値が導電体層の仕事関数の絶対値よりも小さくすれば良い。
上記の正孔輸送層としては、例えば、α−ＮＰＤを用いることができる。電子輸送層としては、例えばＡｌｑ３などで形成することができる。導電体層は、例えば、ＭｇＡｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属材料、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成することができる。
本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置の構造においても、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０の材料としては、第１乃至第３の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート電極１２の材料としても、第１乃至第３の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜１５の材料としても、第１乃至第３の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ソース電極（１６,２０）およびドレイン電極（１８,２０）の材料としても、第１乃至第３の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４を、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導体材料の分子構造例は、本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第５の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約１０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
[第６の実施の形態]
図１８は、本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図１９および図２０は、本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置のドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性例、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性例をそれぞれ示している。
図１８は、本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図１９および図２０は、本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置のドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性例、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性例をそれぞれ示している。
本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図１８に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７上に配置された金属層１６０,１８０と金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０，２２）と、ソース電極（１６０,２０）とドレイン電極（１８０，２２）間であってゲート絶縁膜１７上に配置された有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
また、金属層２０,２２は、金（Ａｕ）電極で形成され、金属層１６０,１８０は、Ａｕ電極よりも仕事関数の大きな金属酸化物で形成される。
また、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層で形成される。
例えば、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の膜厚は、約１ｎｍ〜５ｎｍ程度、望ましくは、約１.２ｎｍ〜４ｎｍ程度である。また、金（Ａｕ）電極の膜厚は、例えば、約２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、望ましくは、約８０ｎｍである。
或いはまた、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層と、例えば厚さ約０．５ｎｍ程度の極薄のクロム(Ｃｒ)層との混合層で形成されていても良い。或いはまた、金属層１６０,１８０は、クロム(Ｃｒ)層とモリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の積層構造（Ｃｒ／ＭｏＯX）で形成されていても良い。
ここで、ＭｏＯX層の膜厚ｔについて、ゲート絶縁膜１７との密着性、ソース／ドレイン電極である金（Ａｕ）層との密着性の観点から説明する。
ＭｏＯX層はＣｒ層に比べて、仕事関数が大きいことから、有機薄膜トランジスタの電流駆動能力を高めることが可能である。しかしながら、ＭｏＯX層は、Ｃｒ層と比較した場合、ゲート絶縁膜であるＳｉＯ2膜と、ソース／ドレイン電極であるＡｕ層との界面密着性が低い。一例として、ＭｏＯX(ｔｎｍ)／Ａｕ(８０ｎｍ)積層型電極構造において、ｔ＝２．５ｎｍの場合、リフトオフプロセス中のソース／ドレイン電極の剥がれは無い。試作後のテープテストによるソース／ドレイン電極の剥がれも無い。したがって、ｔ＝２．５ｎｍの場合、比較的十分な密着性が確保されている。一方、ｔ＝１．２ｎｍの場合、リフトオフプロセス中のソース／ドレイン電極の剥がれは無いが、試作後のテープテストで、ＳｉＯ2/ＭｏＯX界面において、ソース／ドレイン電極の剥がれが観測されている。さらに、ｔ＝５ｎｍ場合、リフトオフプロセス中にＳｉＯ2/ＭｏＯX界面において、ソース／ドレイン電極の剥がれが観測されている。これは、ＭｏＯX層の膜ストレス起因で、密着力が大幅に低くなっているためである。
密着性の向上方法として、Ｃｒ層とＭｏＯX層の共蒸着によるＣｒ−ＭｏＯX密着層を形成すると良い。例えば、Ｃｒ(３３ｗｔ％)−ＭｏＯX(６７ｗｔ％)の２．５ｎｍのよるＣｒ−ＭｏＯX混合層を形成することが良い。或いはまた、Ｃｒ層とＭｏＯX層の積層構造によるＣｒ／ＭｏＯX密着層を形成しても良い。例えば、Ｃｒ層(０．５ｎｍ)/ ＭｏＯX層(２．５ｎｍ)）の積層構造を形成すると良い。
また、ゲート絶縁膜１５はゲート絶縁膜１７よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、ゲート絶縁膜１７はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは、望ましくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有する。
また、ゲート絶縁膜１５はタンタル酸化膜で構成されていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５は、例えば、厚さ１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７はゲート絶縁膜１５よりも薄く、例えば、約２０ｎｍ以下のシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
上記のように、ゲート絶縁膜１７を低温成膜の薄いシリコン酸化膜で形成することによって、スパッタリング法若しくは陽極酸化法によるタンタル酸化膜と共に、プラスチックなどのフレキシブル基板へのプロセス処理が容易になる。
さらに、具体的に、本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図１８に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｎｄ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７上に配置され, 厚さ約２．５ｎｍのモリブデン酸化物（ＭｏＯX）層からなる金属層１６０,１８０と、金属層１６０,１８０膜１７上に配置され,厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６０，２０）およびドレイン電極（１８０，２２）と、ソース電極（１６０，２０）とドレイン電極（１８０，２２）間であってゲート絶縁膜１７上に配置され，例えば、後述するＰｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置の形成工程においても有機半導体層２４を形成するための前処理として、シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにＨＭＤＳ処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。また、Ａｒ／Ｏ2プラズマ処理を実施しても良い。
このような有機半導体装置の試作結果によれば、図１９に示すように、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシスが観測されず、また、図２０に示すように、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランスコンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値も比較例２に比べ高いという結果が得られている。図１９および図２０の結果は、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝１０００μｍ／５μｍ＝２００の寸法を有する有機半導体装置の特性例である。
本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置においては、タンタル酸化膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が改善され、十分にトランジスタ特性の性能改善効果が得られている。
さらに、ソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０,２２）を形成するＡｕ層２０，２２はその比較的大きな仕事関数のため、有機半導体層２４への正孔注入が容易であるが、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層１６０,１８０も相対的に大きな仕事関数を有するため、仕事関数の大きな有機半導体層２４への正孔注入量が十分に確保される。又、図１４に示すようなボトムコンタクト型の有機半導体トランジスタにおいて、有機半導体層２４／無機電極（１６０,１８０,２０,２２）界面の接触抵抗が、図４に示す比較例の構造に比べて小さくなる。
このため、本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置におけるドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性において、オン抵抗が低く、オン電流が高いという結果が得られている。
すなわち、本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、ソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０,２２）構造の改善効果によって、有機半導体層２４への正孔注入量が増大し、接触抵抗の低減と共に、オン抵抗の低減化、オン電流の増大化、トランスコンダクタンスの増大化を図ることができる。
尚、最終的な構造としては、図１８には図示を省略されているが、有機半導体層２４上には、低温成長によって形成された窒化膜やシリコン酸化膜、或いはこれらの積層構造をパッシベーション膜として形成しても良い。或いはまた、無機膜と有機膜の積層膜をパッシベーション膜として形成しても良い。さらに、所定空間をもって、囲む封止缶によるパッケージ構造を備えていても良い。
本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置の構造において、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０は、例えば、厚さ約３０μｍ〜１ｍｍ程度のガラス基板,ステンレス基板,サファイア基板,シリコン基板などの無機材料基板、或いは、ポリイミド（ＰＩ）,ポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ),ポリエチレンナフタレート(ＰＥＮ),ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）などの有機材料基板、或いはプラスチック基板などが用いられる。
ゲート電極１２０は、上記の例ではＡｌ−Ｎｄ層を開示したが、他には、例えばＭｇＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属、或いは、例えばＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、或いは、例えば、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成される。ここで、ＰＥＤＯＴとは、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳであり、ポリ−（３,４−エチレンジオキシチオフェン）：ポリスチレンスルフォネート（Poly-(3,4-ethylenedioxy-thiophene):poly-styrenesulfonate）と呼ばれる材料である。
ゲート絶縁膜１５は、上記の例ではＴａ2Ｏ5層の例を開示したが、他には、例えば、Ｓｉ3 Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2 などのシリコン酸化膜に比べて高比誘電率の無機絶縁体材料、或いは、ポリイミド（ＰＩ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などの有機絶縁体材料を用いることもできる。
ソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０,２２）には、上記の例ではＭｏＯX層１６０，１８０／Ａｕ層２０，２２の例を開示したが、他には、例えば、Ｐｔ，Ｔａなどの仕事関数の高い金属、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴ：ポリ３,４−エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）、ＰＶＰＴＡ２：ＴＢＰＡＨ、Ｅｔ−ＰＴＰＤＥＫ：ＴＢＰＡＨなどの有機導電体材料が用いられ、ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４へのキャリア注入に適した材料を使用することもできる。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４は、例えば、ペンタセン、ポリ−３−ヘキシルチオフェン(Ｐ３ＨＴ)、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）などの有機半導体材料で形成される。
ペンタセンは、後述する図３６（ｃ）に示すような分子構造を有する。ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）は、後述する図３７（ｄ）に示すような分子構造を有する。銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）は、後述する図３６（ｄ）に示すような分子構造を有する。
或いはまた、ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４には、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導体材料の分子構造例は、本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約２０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、金（Ａｕ）電極より仕事関数の大きな材料である金属酸化物層と金電極との積層型電極をソース／ドレイン電極として用い、かつ高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、Ａｕより仕事関数の大きな材料であるＭｏＯX等を用いてＭｏＯX／Ａｕのような積層型電極をＴａ2Ｏ5／ＳｉＯ2積層型ゲート絶縁膜と組み合わせて、必要に応じてＡｒ逆スパッタリング，ＵＶ／Ｏ3処理，Ａｒ／Ｏ2プラズマ処理，ＨＭＤＳ処理を単独もしくは複数実施して、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
[第７の実施の形態]
図２１は、本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図２２および図２３は、本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置のドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性例、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性例をそれぞれ示す。
図２１は、本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図２２および図２３は、本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置のドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性例、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性例をそれぞれ示す。
本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図２１に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置された金属層１６０,１８０と金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０，２２）と、ソース電極（１６０,２０）とドレイン電極（１８０，２２）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置された有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
また、金属層２０,２２は、金（Ａｕ）電極で形成され、金属層１６０,１８０は、Ａｕ電極よりも仕事関数の大きな金属酸化物で形成される。
また、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層で形成される。
例えば、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の膜厚は、約１ｎｍ〜５ｎｍ程度、望ましくは、約１.２ｎｍ〜４ｎｍ程度である。また、金（Ａｕ）電極の膜厚は、例えば、約２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、望ましくは、約８０ｎｍである。
或いはまた、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層と、例えば厚さ約０．５ｎｍ程度の極薄のクロム(Ｃｒ)層との混合層で形成されていても良い。或いはまた、金属層１６０,１８０は、クロム(Ｃｒ)層とモリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の積層構造（Ｃｒ／ＭｏＯX）で形成されていても良い。
一例として、ＭｏＯX(ｔｎｍ)／Ａｕ(８０ｎｍ)積層型電極構造において、ｔ＝２．５ｎｍの場合、リフトオフプロセス中のソース／ドレイン電極の剥がれは無い。試作後のテープテストによるソース／ドレイン電極の剥がれも無い。したがって、ｔ＝２．５ｎｍの場合、比較的十分な密着性が確保されている。さらに、密着性の向上方法として、Ｃｒ層とＭｏＯX層の共蒸着によるＣｒ−ＭｏＯX密着層を形成すると良い。例えば、Ｃｒ(３３ｗｔ％)−ＭｏＯX(６７ｗｔ％)の２．５ｎｍのよるＣｒ−ＭｏＯX混合層を形成することが良い。或いはまた、Ｃｒ層とＭｏＯX層の積層構造によるＣｒ／ＭｏＯX密着層を形成しても良い。例えば、Ｃｒ層(０．５ｎｍ)/ ＭｏＯX層(２．５ｎｍ)）の積層構造を形成すると良い。
また、ゲート絶縁膜１５はゲート絶縁膜１７０よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有する。
また、ゲート絶縁膜１５はタンタル酸化膜で構成されることを特徴とする。
また、ゲート絶縁膜１５は、例えば、厚さ１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄く、例えば、約５ｎｍ以下のシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
上記のように、ゲート絶縁膜１７０を低温成膜の薄いシリコン酸化膜で形成することによって、スパッタリング法若しくは陽極酸化法によるタンタル酸化膜と共に、プラスチックなどのフレキシブル基板へのプロセス処理が容易になる。
さらに、具体的に、本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図２１に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｎｄ層からなるゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約５ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され, 厚さ約２．５ｎｍのモリブデン酸化物（ＭｏＯX ）層からなる金属層１６０,１８０と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極(１６０，２０)およびドレイン電極(１８０，２２)と、ソース電極(１６０，２０)とドレイン電極(１８０，２２)間であってゲート絶縁膜１７０上に配置され，例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置の形成工程においても有機半導体層２４を形成するための前処理として、シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにＨＭＤＳ処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。また、Ａｒ／Ｏ2プラズマ処理を実施しても良い。
このような有機半導体装置の試作結果によれば、図２２に示すように、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシスが観測されず、また、図２３に示すように、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランス（相互）コンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値も第１１の実施の形態に比べ高いという結果が得られている。図２２および図２３の結果は、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝１０００μｍ／５μｍ＝２００の寸法を有する有機半導体装置の特性例である。
本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置においては、タンタル酸化膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が改善され、十分にトランジスタ特性の性能改善効果が得られている。
さらに、ソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０,２２）を形成するＡｕ層２０，２２はその比較的大きな仕事関数のため、有機半導体層２４への正孔注入が容易であるが、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層１６０,１８０も相対的に大きな仕事関数を有するため、仕事関数の大きな有機半導体層２４への正孔注入量が十分に確保される。又、図２１に示すようなボトムコンタクト型の有機半導体トランジスタにおいて、有機半導体層２４／無機電極（１６０,１８０,２０,２２）界面の接触抵抗が、図４に示す比較例の構造に比べて小さくなる。
このため、本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置におけるドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性において、オン抵抗が低く、オン電流が高いという結果が得られている。
すなわち、本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、ソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０,２２）構造の改善効果によって、有機半導体層２４への正孔注入量が増大し、接触抵抗の低減と共に、オン抵抗の低減化、オン電流の増大化、トランスコンダクタンスの増大化を図ることができる。
尚、第６の実施の形態と同様に、本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置においても、最終的な構造としては、図２１には図示を省略されているが、有機半導体層２４上には、低温成長によって形成された窒化膜やシリコン酸化膜、或いはこれらの積層構造をパッシベーション膜として形成しても良い。さらに、所定空間をもって、囲む封止缶によるパッケージ構造を備えていても良い。
本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置の構造においても、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０の材料としては、第６の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート電極１２０の材料としても、第６の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜１５の材料としても、第６の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０,２２）の材料としても、第６の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４を、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導体材料の分子構造例は、本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約５ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、金（Ａｕ）電極より仕事関数の大きな材料である金属酸化物層と金電極との積層型電極をソース／ドレイン電極として用い、かつ高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、Ａｕより仕事関数の大きな材料であるＭｏＯX等を用いてＭｏＯX／Ａｕのような積層型電極をＴａ2Ｏ5／ＳｉＯ2積層型ゲート絶縁膜と組み合わせて、必要に応じてＡｒ逆スパッタリング，ＵＶ／Ｏ3処理，Ａｒ／Ｏ2プラズマ処理，ＨＭＤＳ処理を単独もしくは複数実施して、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
[第８の実施の形態]
図２４は、本発明の第８の実施の形態に係るボトムコンタクト型の有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図２５は、本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置のドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性例、図２６は、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性例をそれぞれ示す。
図２４は、本発明の第８の実施の形態に係るボトムコンタクト型の有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。また、図２５は、本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置のドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性例、図２６は、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性例をそれぞれ示す。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置は、図２４に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置された金属層１６０,１８０と、金属層１６０,１８０上に配置された金属層２０,２２と、金属層２０,２２上に配置された金属層２６０,２８０との積層構造からなるソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）と、ソース電極（１６０,２０,２６０）とドレイン電極（１８０,２２,２８０）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置された有機半導体層２４とを備え、金属層１６０,１８０および金属層２６０,２８０の仕事関数は金属層２０,２２の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする。
また、金属層２０,２２は、金（Ａｕ）電極で形成され、金属層１６０,１８０および金属層２６０,２８０は、金電極よりも仕事関数の大きな金属酸化物で形成される。
また、金属層１６０,１８０および金属層２６０,２８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層で形成される。
例えば、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の膜厚は、約１ｎｍ〜５ｎｍ程度、望ましくは、約１.２ｎｍ〜４ｎｍ程度である。また、金（Ａｕ）電極の膜厚は、例えば、約２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、望ましくは、約８０ｎｍである。
或いはまた、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層と、例えば厚さ約０．５ｎｍ程度の極薄のクロム(Ｃｒ)層との混合層で形成されていても良い。或いはまた、金属層１６０,１８０は、クロム(Ｃｒ)層とモリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の積層構造（Ｃｒ／ＭｏＯX）で形成されていても良い。
ＭｏＯX層はＣｒ層に比べて、仕事関数が大きいことから、有機薄膜トランジスタの電流駆動能力を高めることが可能であるが、さらに、ＭｏＯX層／Ａｕ層／ＭｏＯX層の３層積層構造を用いることで、電流駆動能力を高くすることができる。
一例として、ＭｏＯX(ｔｎｍ)／Ａｕ(８０ｎｍ)／ＭｏＯX(ｔｎｍ)積層型電極構造において、ｔ＝２．５ｎｍの場合、リフトオフプロセス中のソース／ドレイン電極の剥がれは無い。試作後のテープテストによるソース／ドレイン電極の剥がれも無い。したがって、ｔ＝２．５ｎｍの場合、比較的十分な密着性が確保されている。さらに、密着性の向上方法として、Ｃｒ層とＭｏＯX層の共蒸着によるＣｒ−ＭｏＯX密着層を形成すると良い。例えば、Ｃｒ(３３ｗｔ％)−ＭｏＯX(６７ｗｔ％)の２．５ｎｍのよるＣｒ−ＭｏＯX混合層を形成することが良い。或いはまた、Ｃｒ層とＭｏＯX層の積層構造によるＣｒ／ＭｏＯX密着層を形成しても良い。例えば、Ｃｒ層(０．５ｎｍ)/ ＭｏＯX層(２．５ｎｍ)の積層構造を形成すると良い。
また、ゲート絶縁膜１５はゲート絶縁膜１７０よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有する。
また、ゲート絶縁膜１５はタンタル酸化膜で構成されていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５は、例えば、厚さ１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄く、例えば、約５ｎｍ以下のシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
上記のように、ゲート絶縁膜１７０を低温成膜の薄いシリコン酸化膜で形成することによって、スパッタリング法若しくは陽極酸化法によるタンタル酸化膜と共に、プラスチックなどのフレキシブル基板へのプロセス処理が容易になる。
さらに、具体的に、本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図２４に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｎｄ層からなるゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約５ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され, 厚さ約２．５ｎｍのモリブデン酸化物（ＭｏＯX ）層からなる金属層１６０,１８０と、金属層１６０,１８０上に配置され,厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２と、金属層２０,２２上に配置され, 厚さ約２．５ｎｍのモリブデン酸化物（ＭｏＯX ）層からなる金属層２６０,２８０との積層構造からなるソース電極(１６０，２０,２６０)およびドレイン電極(１８０，２２,２８０)と、ソース電極(１６０，２０,２６０)とドレイン電極(１８０，２２,２８０)間であってゲート絶縁膜１７０上に配置され，例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置の形成工程においても有機半導体層２４を形成するための前処理として、シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにＨＭＤＳ処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。また、Ａｒ／Ｏ2プラズマ処理を実施しても良い。
このような有機半導体装置の試作結果によれば、図２５に示すように、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシスが観測されず、また、図２６に示すように、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランス（相互）コンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値も第１１の実施の形態および第１２の実施の形態に比べ高いという結果が得られている。図２１および図２２の結果は、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝１０００μｍ／５μｍ＝２００の寸法を有する有機半導体装置の特性例である。
図２７は、本発明の第７の実施の形態（Ｂ）および第８の実施の形態（Ｃ）と比較例４（Ａ）に係る有機薄膜トランジスタのキャリアモビリティーμFET（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）の特性比較例を示す。図２７から明らかなように、比較例４に比べ、第８の実施の形態（Ｃ）のキャリアモビリティーμFET（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）の特性が向上している。ここで、μFET（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）は、有機半導体層２４のキャリアモビリティーである。
第８の実施の形態（Ｃ）においては、タンタル酸化膜からなるゲート絶縁膜１５上に、ゲート絶縁膜１７０として、第７の実施の形態（Ｂ）に比較して、約半分の厚さの極薄（約５ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）を積層化形成することにより、キャリアモビリティーμFET（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）の特性が向上している。
また、図２８は、本発明の第７の実施の形態（Ｂ）および第８の実施の形態（Ｃ）と比較例４（Ａ）に係る有機薄膜トランジスタのオン／オフ比の特性比較例を示す。図２８から明らかなように、比較例４に比べ、第７の実施の形態（Ｂ）のオン／オフ比の特性が向上している。
また、図２９は、本発明の第７の実施の形態（Ｂ）および第８の実施の形態（Ｃ）と比較例４（Ａ）に係る有機薄膜トランジスタのオン電流（Ａ）の特性比較例を示す。図２９から明らかなように、比較例４に比べ、第７の実施の形態（Ｂ）、第８の実施の形態（Ｃ）の順にオン電流の特性が向上している。
図２８および図２９に示す特性は、キャリアモビリティーμFET（ｃｍ2／Ｖ・ｓ）の特性向上に伴い、直流的なトランスコンダクタンスｇｍが向上し、それに伴って、オン抵抗が低減され、オン電流が増大したためである。
図３０は、本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置の３層電極構造の形成工程の説明図であって、図３０（ａ）は、リフトオフ工程における模式的断面構造図、図３０（ｂ）は、図３０（ａ）のＤ部分の３層電極構造の拡大された模式的断面構造図、図３０（ｃ）は、ドライエッチングによる３層電極構造の形成工程の模式的断面構造図をそれぞれ示す。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置の３層電極構造においては、図３０（ｂ）に示すように、ＭｏＯX層１８０がＡｕ層２２で被覆され、さらにＭｏＯX層１８０およびＡｕ層２２が、ＭｏＯX層２８０で完全に被覆される構造となることが、正孔注入を増大し、また有機半導体層２４との密着性を確保する上で望ましい。このような構造は、図３０（ａ）に模式的に示すように、レジスト層３００の剥離工程によるリフトオフ工程によって、ソース電極側、ドレイン電極側同時に形成することができる。尚、ドライエッチング工程を利用する場合には、図３０（ｃ）に示すように、ドライエッチングによって、略垂直にエッチングされた側壁部分に新たに、ＭｏＯX層３２０を形成することが望ましい。
また、図３１は、本発明の第６乃至第８の実施の形態に係る有機半導体装置において、ゲート絶縁膜１５を形成するタンタル酸化膜の膜厚をパラメータとし、縦軸にゲートキャパシタＣOX（Ｆ／ｃｍ2）をとり、横軸にゲート絶縁膜１７,１７０を形成するシリコン酸化膜の膜厚をとった場合の特性図を示す。図３１中には、シリコン酸化膜の膜厚が零の場合で、タンタル酸化膜の膜厚が１００ｎｍの場合と、単層でシリコン酸化膜の膜厚が２５０ｎｍの場合についても示す。
ＣOX（Ｆ／ｃｍ2）は、ゲート絶縁膜の単位面積当りのゲートキャパシタであり、トランスコンダクタンスｇｍ＝（Ｗ／Ｌ）・ＣOX・μFET・ＶDSの関係が成立する。ここで、Ｗは有機薄膜トランジスタのチャネル幅、Ｌは有機薄膜トランジスタのチャネル長、ＶDSドレイン・ソース間に印加する電圧値である。
図２７乃至図２９および図３１に示す結果は、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝１０００μｍ／５μｍ＝２００の寸法を有する有機半導体装置の特性例である。
ゲートキャパシタＣOX（Ｆ／ｃｍ2）の値を増加させることによって、トランスコンダクタンスｇｍの値が増大し、有機薄膜トランジスタの性能が向上する。ゲートキャパシタＣOX（Ｆ／ｃｍ2）の値を増加させるためには、図３１から明らかなように、有機半導体層２４に接するゲート絶縁膜１７０の厚さを、例えば約５ｎｍ以下とし、タンタル酸化膜からなるゲート絶縁膜１５の厚さを、例えば約１００ｎｍ以下とすれば良い。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、接触抵抗を大きく低減し、第６乃至第７の実施の形態に示された単純なＭｏＯX層／Ａｕ層の２層構造の積層型電極で得られる性能以上の高い電流駆動能力を示すことが、５Ｖという低電圧駆動に対しても実現できる。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置においては、タンタル酸化膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が改善され、十分にトランジスタ特性の性能改善効果が得られている。
さらに、ソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）を形成するＡｕ層２０，２２はその比較的大きな仕事関数のため、有機半導体層２４への正孔注入が容易であるが、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層１６０,１８０,２６０,２８０も相対的に大きな仕事関数を有するため、仕事関数の大きな有機半導体層２４への正孔注入量が十分に確保される。又、図２４に示すようなボトムコンタクト型の有機半導体トランジスタにおいて、有機半導体層２４／無機電極（１６０,１８０,２０,２２,２６０,２８０）界面の接触抵抗が、図４に示す比較例の構造に比べて小さくなる。
このため、本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置におけるドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性において、オン抵抗が低く、オン電流が高いという結果が得られている。
すなわち、本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、ソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）構造の改善効果によって、有機半導体層２４への正孔注入量が増大し、接触抵抗の低減と共に、オン抵抗の低減化、オン電流の増大化、トランスコンダクタンスの増大化を図ることができる。
尚、第６乃至第７の実施の形態と同様に、本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置においても、最終的な構造としては、図２４には図示を省略されているが、有機半導体層２４上には、低温成長によって形成された窒化膜やシリコン酸化膜、或いはこれらの積層構造をパッシベーション膜として形成しても良い。さらに、所定空間をもって、囲む封止缶によるパッケージ構造を備えていても良い。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置の構造においても、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０の材料としては、第６乃至第７の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート電極１２の材料としても、第６乃至第７の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜１５の材料としても、第６乃至第７の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）の材料としても、第６乃至第７の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４を、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導体材料の分子構造例は、本発明の第１３の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約１０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、金（Ａｕ）電極より仕事関数の大きな材料である金属酸化物層と金電極との積層型電極をソース／ドレイン電極として用い、かつ高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、Ａｕより仕事関数の大きな材料であるＭｏＯX等を用いてＭｏＯX／Ａｕ／ＭｏＯXのような３層構造の積層型電極をＴａ2Ｏ5／ＳｉＯ2積層型ゲート絶縁膜と組み合わせて、必要に応じてＡｒ逆スパッタリング，ＵＶ／Ｏ3処理，Ａｒ／Ｏ2プラズマ処理，ＨＭＤＳ処理を単独もしくは複数実施して、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
[第９の実施の形態]
図３２は、本発明の第９の実施の形態に係るトップコンタクト型の有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
図３２は、本発明の第９の実施の形態に係るトップコンタクト型の有機半導体装置の模式的断面構造図を示す。
本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置は、図３２に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置された有機半導体層と２４と、有機半導体層２４上に配置された金属層１６０,１８０と、金属層１６０,１８０上に配置された金属層２０,２２と、金属層２０,２２上に配置された金属層２６０,２８０との積層構造からなるソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）とを備え、金属層１６０,１８０および金属層２６０,２８０の仕事関数は金属層２０,２２の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタを有する。
尚、上記説明では、第８の実施の形態と同様に、金属層２０,２２を金属層１６０,１８０と金属層２６０,２８０で挟む構造からなる３層の積層型電極構造を記載したが、第６乃至第７の実施の形態と同様に、金属層２６０,２８０を省略し、金属層２０,２２と金属層１６０,１８０からなる２層の積層型電極構造を適用しても良い。
また、金属層２０,２２は、金電極で形成され、金属層１６０,１８０および金属層２６０,２８０は、金電極よりも仕事関数の大きな金属酸化物で形成される。
また、金属層１６０,１８０および金属層２６０,２８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層で形成される。
例えば、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の膜厚は、約１ｎｍ〜５ｎｍ程度、望ましくは、約１.２ｎｍ〜４ｎｍ程度である。また、金（Ａｕ）電極の膜厚は、例えば、約２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、望ましくは、約８０ｎｍである。
或いはまた、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層と、例えば厚さ約０．５ｎｍ程度の極薄のクロム(Ｃｒ)層との混合層で形成されていても良い。或いはまた、金属層１６０,１８０は、クロム(Ｃｒ)層とモリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の積層構造（Ｃｒ／ＭｏＯX）で形成されていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５はゲート絶縁膜１７０よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有する。
また、ゲート絶縁膜１５はタンタル酸化膜で構成されていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５は、例えば、厚さ１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄く、例えば、約５ｎｍ以下のシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
上記のように、ゲート絶縁膜１７０を低温成膜の薄いシリコン酸化膜で形成することによって、スパッタリング法若しくは陽極酸化法によるタンタル酸化膜と共に、プラスチックなどのフレキシブル基板へのプロセス処理が容易になる。
さらに、具体的に、本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図３２に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｎｄ層からなるゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され,厚さ約５ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され, 例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４と、ｐ型有機半導体層２４上に配置され,厚さ約２．５ｎｍのモリブデン酸化物（ＭｏＯX ）層からなる金属層１６０,１８０と、金属層１６０,１８０上に配置され,厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２と、金属層２０,２２上に配置され,厚さ約２．５ｎｍのモリブデン酸化物（ＭｏＯX ）層からなる金属層２６０,２８０との積層構造からなるソース電極(１６０，２０,２６０)およびドレイン電極(１８０，２２,２８０)とを備える有機薄膜トランジスタを有する。
本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置の形成工程においても有機半導体層２４を形成するための前処理として、シリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０の表面に対して、表面清浄化のために以下の処理を実行している。すなわち、Ａｒの逆スパッタリング処理を約６０ｓｅｃ、次に、ＵＶ/Ｏ3処理を約２分、さらに疎水化するためにＨＭＤＳ処理を約１５分、気相雰囲気中で行っている。また、Ａｒ／Ｏ2プラズマ処理を実施しても良い。
このような有機半導体装置の試作結果によれば、ドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性においてヒステリシスが観測されず、また、ドレイン電流ＩD―ゲート電圧ＶG特性から得られるトランス（相互）コンダクタンスｇｍ（ΔＩD／ΔＶG）の値も第８の実施の形態と同様に高いという結果が得られている。
本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置においては、タンタル酸化膜自体の内部欠陥及び結合性に由来するヒステリシスな特性が改善され、十分にトランジスタ特性の性能改善効果が得られている。
さらに、ソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）を形成するＡｕ層２０，２２はその比較的大きな仕事関数のため、有機半導体層２４への正孔注入が容易であるが、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層１６０,１８０,２６０,２８０も相対的に大きな仕事関数を有するため、仕事関数の大きな有機半導体層２４への正孔注入量が十分に確保される。
このため、本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置におけるドレイン電流ＩD―ドレイン電圧ＶD特性において、オン抵抗が低く、オン電流が高いという結果が得られている。
すなわち、本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、ソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）構造の改善効果によって、有機半導体層２４への正孔注入量が増大し、接触抵抗の低減と共に、オン抵抗の低減化、オン電流の増大化、トランスコンダクタンスの増大化を図ることができる。
尚、第６乃至第８の実施の形態と同様に、本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置においても、最終的な構造としては、図３２には図示を省略されているが、有機半導体層２４上には、低温成長によって形成された窒化膜やシリコン酸化膜、或いはこれらの積層構造をパッシベーション膜として形成しても良い。さらに、所定空間をもって、囲む封止缶によるパッケージ構造を備えていても良い。
また、本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置において、ｐ型有機半導体層２４およびソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）構造上に正孔輸送層を配置し、さらに正孔輸送層上に電子輸送層を配置し、さらにこの電子輸送層上にキャップ用の導電体層を配置した積層構造を備えていても良い。すなわち、ｐ型有機半導体層２４と導電体層の間に電子輸送層と正孔輸送層で構成されるｐｎダイオードが形成されていてもよい。
本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置の構造においても、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０の材料としては、第６乃至第８の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート電極１２０の材料としても、第６乃至第８の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜１５の材料としても、第６乃至第８の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）の材料としても、第６乃至第８の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４を、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導体材料の分子構造例は、本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約５ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、金（Ａｕ）電極より仕事関数の大きな材料である金属酸化物層と金電極との積層型電極をソース／ドレイン電極として用い、かつ高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、Ａｕより仕事関数の大きな材料であるＭｏＯX等を用いてＭｏＯX／Ａｕ／ＭｏＯXのような３層構造の積層型電極をＴａ2Ｏ5／ＳｉＯ2積層型ゲート絶縁膜と組み合わせて、必要に応じてＡｒ逆スパッタリング，ＵＶ／Ｏ3処理，Ａｒ／Ｏ2プラズマ処理，ＨＭＤＳ処理を単独もしくは複数実施して、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第９の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
[第１０の実施の形態]
図３３は、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置であって、第６の実施の形態に係るボトムコンタクト型の有機半導体装置の周辺部において有機半導体発光素子を集積化した模式的断面構造図を示す。
図３３は、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置であって、第６の実施の形態に係るボトムコンタクト型の有機半導体装置の周辺部において有機半導体発光素子を集積化した模式的断面構造図を示す。
本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置は、図３３に示すように、本発明の第１１の実施の形態において説明した図１８の構造の有機薄膜トランジスタと、有機半導体発光素子を集積化形成した構成を有する。
有機薄膜トランジスタは、有機半導体発光素子のドライバ用のトランジスタとして構成されることから、低電圧駆動かつ高輝度発光のためには、有機薄膜トランジスタのオン電流を増大することが必要である。本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置は、積層ゲート絶縁膜による高いオン電流と共に、ソース／ドレイン電極を本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置の構造を適用することにより、更に高い駆動電流を実現している。
本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置は、図３３に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７上に配置された金属層１６０,１８０と、金属層１６０,１８０上に配置された金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０,２２）と、ソース電極（１６０,２０）とドレイン電極（１８０,２２）間であってゲート絶縁膜１７上に配置された有機半導体層２４とを備え、金属層１６０,１８０の仕事関数は金属層２０,２２の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタと、前記有機薄膜トランジスタの周辺部において、基板１０上に配置されたアノード電極１３０と、アノード電極１３０上に配置された正孔輸送層１３２と、正孔輸送層１３２上に配置された発光層１３４と、発光層１３４上に配置された電子輸送層１３６と、電子輸送層１３６上に配置されたカソード電極１３８との積層構造からなる有機半導体発光素子をさらに備える。
半導体発光素子を搭載する基板１０の裏面には、カラーフィルタ５０を配置しても良い。
また、金属層２０,２２は、金（Ａｕ）電極で形成され、金属層１６０,１８０は、Ａｕ電極よりも仕事関数の大きな金属酸化物で形成される。
また、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層で形成される。
例えば、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の膜厚は、約１ｎｍ〜５ｎｍ程度、望ましくは、約１.２ｎｍ〜４ｎｍ程度である。また、金（Ａｕ）電極の膜厚は、例えば、約２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、望ましくは、約８０ｎｍである。
或いはまた、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層と、例えば厚さ約０．５ｎｍ程度の極薄のクロム(Ｃｒ)層との混合層で形成されていても良い。或いはまた、金属層１６０,１８０は、クロム(Ｃｒ)層とモリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の積層構造（Ｃｒ／ＭｏＯX）で形成されていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５はゲート絶縁膜１７よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、ゲート絶縁膜１７はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有する。
また、ゲート絶縁膜１５はタンタル酸化膜で構成されていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５は、例えば、厚さ１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７はゲート絶縁膜１５よりも薄く、例えば、約２０ｎｍ以下のシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
上記のように、ゲート絶縁膜１７を低温成膜の薄いシリコン酸化膜で形成することによって、スパッタリング法若しくは陽極酸化法によるタンタル酸化膜と共に、プラスチックなどのフレキシブル基板へのプロセス処理が容易になる。
さらに、具体的に、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図３３に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｎｄ層からなるゲート電極１２と、ゲート電極１２上に配置され,厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約１０ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７と、ゲート絶縁膜１７上に配置され, 厚さ約２．５ｎｍのモリブデン酸化物（ＭｏＯX）層からなる金属層１６０,１８０と、金属層１６０,１８０膜１７上に配置され,厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６０，２０）およびドレイン電極（１８０，２２）と、ソース電極（１６０，２０）とドレイン電極（１８０，２２）間であってゲート絶縁膜１７上に配置され，例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタと、前記有機薄膜トランジスタの周辺部において、基板１０上に配置され,例えば、ＩＴＯからなるアノード電極１３０と、アノード電極１３０上に配置された正孔輸送層１３２と、正孔輸送層１３２上に配置された発光層１３４と、発光層１３４上に配置された電子輸送層１３６と、電子輸送層１３６上に配置され,例えば、Ａｌ／ＬｉＦ積層電極からなるカソード電極１３８との積層構造からなる有機半導体発光素子をさらに備える。
また、図３３に示すように、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置においては、ｐ型有機半導体層２４上に正孔輸送層４２を配置し、さらに正孔輸送層４２上に正孔輸送層４４を配置し、正孔輸送層４４上に電子輸送層４６を配置し、さらにこの電子輸送層４６上にキャップ用の導電体層４８を配置した積層構造を備えていても良い。すなわち、ｐ型有機半導体層２４と導電体層４８の間に電子輸送層４６と正孔輸送層４２,４４で構成されるｐｎダイオードが形成されていてもよい。
この場合、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置は、ｐ型有機半導体層２４のＨＯＭＯ(Highest Occupied Molecular Orbital)のエネルギー準位の絶対値がキャップ用の導電体層の仕事関数の絶対値よりも大きくすると良い。ここで、ＨＯＭＯのエネルギー準位とは、有機分子の基底状態を表す。また、ＬＵＭＯ(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)のエネルギー準位とは、有機分子の励起状態を表す。ここで、ＬＵＭＯ準位は最低励起一重項準位（Ｓ1）に対応する。さらに電子や正孔が有機物に注入され、ラジカルアニオン（Ｍ-）,ラジカルカチオン（Ｍ+）が形成された場合の正孔および電子の準位は、励起子結合エネルギーが存在しない分、ＨＯＭＯ準位,ＬＵＭＯ準位の外側の位置に電子伝導準位、正孔伝導準位が位置することになる。
ｐ型有機半導体層２４の代わりにｎ型有機半導体層を適用する場合には、ｎ型有機半導体層のＬＵＭＯのエネルギー準位の絶対値が導電体層の仕事関数の絶対値よりも小さくすれば良い。
正孔輸送層４２,４４としては、例えば、α−ＮＰＤを用いることができる。ここで、α−ＮＰＤは、４,４−ビスＮ−（１−ナフチル−１−）[Ｎ−フェニル−アミノ]−ビフェニル（4,4-bis[N-(1-naphtyl-1-)N-phenyl-amino]-biphenyl）と呼ばれる。
電子輸送層４６としては、例えばＡｌｑ3などで形成することができる。ここで、Ａｌｑ3は、アルミニウム８−ヒドロキシキノリネート（Aluminum 8-hydroxyquinolinate）或いは、トリ８−キノリノラトアルミニウムと呼ばれる材料である。
導電体層４８は、例えば、ＭｇＡｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属材料、ＬｉＦ／Ａｌからなる金属積層構造、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成することができる。
上記ｐｎダイオードによって、ソース電極（１６０，２０）とドレイン電極（１８０，２２）間の短絡を防止することもできる。すなわち、上記ｐｎダイオードによって、キャリアの逆流を防ぐことができ、導電体層４８を介してソース・ドレイン間が短絡することは原理的に発生しない。
ｐ型トランジスタとして、ソース・ドレイン間にバイアス電圧を印加する場合、導電体層４８とドレイン電極（１８０，２２）間は、電界の向きがｐｎ接合の逆方向バイアスにあたるため、導電体層４８を介してソース電極（１６０，２０）とドレイン電極（１８０，２２）間が短絡することはない。
同様に、ソース・ドレイン間にバイアス電圧を印加した場合、キャップ用の導電体層４８とソース電極（１６０，２０）間は、ｐｎ接合の順方向バイアスにあたるため、キャップ用の導電体層４８はソース電極（基準電位）からｐｎ接合の順方向電圧降下（Ｖｆ）分の電位差をもって安定する。また、ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４内部の電位は、キャップ用の導電体層４８の電磁シールド効果によって安定化する。
本発明の第５実施の形態に係る有機半導体装置の構造において、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０の材料としては、第６の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート電極１２０の材料としても、第６の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜１５の材料としても、第６の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）の材料としても、第６の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４を、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導体材料の分子構造例は、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
（正孔輸送層を形成する正孔輸送材料）
図３８は、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置に適用可能な正孔輸送層３２,４２,４４を形成する正孔輸送材料の分子構造例であって、図３８（ａ）は、ＧＰＤの分子構造例、図３８（ｂ）は、spiro-ＴＡＤの分子構造例、図３８（ｃ）は、spiro-ＮＰＤの分子構造例、図３８（ｄ）は、oxidized-ＴＰＤの分子構造例をそれぞれ示す。
図３８は、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置に適用可能な正孔輸送層３２,４２,４４を形成する正孔輸送材料の分子構造例であって、図３８（ａ）は、ＧＰＤの分子構造例、図３８（ｂ）は、spiro-ＴＡＤの分子構造例、図３８（ｃ）は、spiro-ＮＰＤの分子構造例、図３８（ｄ）は、oxidized-ＴＰＤの分子構造例をそれぞれ示す。
また、図３９は、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置に適用可能な正孔輸送層３２,４２,４４を形成するさらに別の正孔輸送材料の分子構造例であって、図３９（ａ）は、ＴＤＡＰＢの分子構造例、図３９（ｂ）はＭＴＤＡＴＡの分子構造例を示す。
（電子輸送層を形成する電子輸送材料）
図４０は、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置の電子輸送層３６,４６を形成する電子輸送材料の分子構造例であって、図４０（ａ）は、t-butyl-ＰＢＤの分子構造例、図４０（ｂ）は、ＴＡＺの分子構造例、図４０（ｃ）は、シロール誘導体の分子構造例、図４０（ｄ）は、ホウ素置換型トリアリール系化合物の分子構造例、図４０（ｅ）は、フェニルキノキサリン誘導体の分子構造例をそれぞれ示す。
図４０は、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置の電子輸送層３６,４６を形成する電子輸送材料の分子構造例であって、図４０（ａ）は、t-butyl-ＰＢＤの分子構造例、図４０（ｂ）は、ＴＡＺの分子構造例、図４０（ｃ）は、シロール誘導体の分子構造例、図４０（ｄ）は、ホウ素置換型トリアリール系化合物の分子構造例、図４０（ｅ）は、フェニルキノキサリン誘導体の分子構造例をそれぞれ示す。
また、図４１は、本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置の電子輸送層３６,４６を形成する別の電子輸送材料の分子構造例であって、図４１（ａ）は、Ａｌｑ3の分子構造例、図４１（ｂ）は、ＢＣＰの分子構造例、図４１（ｃ）は、オキサジアゾール二量体の分子構造例、図４１（ｄ）は、スターバーストオキサジアゾールの分子構造例をそれぞれ示す。
発光層３４には、例えば、キャリア輸送性発光材料、或いは発光ドーパントとホスト材料の混合層を適用することができる。キャリア輸送性発光材料としては、例えば、Ａｌｑ3,ＢＡｌｑ,Ｂｅｐｐ2,ＢＤＰＨＶＢｉ,spiro-ＢＤＰＶＢｉ,（ＰＳＡ）2Ｎｐ−５,（ＰＰＡ）（ＰＳＡ）Ｐｅ−１,ＢＳＮなどの材料を用いることができる。発光ドーパントとホスト材料としては、例えば、クマリン６,Ｃ５４５Ｔ,Ｑｄ４,ＤＥＱ,ＤＰＴ,ＤＣＭ２,ＤＣＪＴＢ,ルブレン,ＤＰＰ,ＣＢＰ,ＡＢＴＸ,ＤＳＡ,ＤＳＡアミンなどの材料を用いることができる。
本発明の第１０の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、オン電流の増大した有機薄膜トランジスタと、低電圧駆動かつ高輝度発光の有機半導体発光素子を集積化する有機半導体装置を提供することができる。
[第１１の実施の形態]
図３４は、本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置であって、第７の実施の形態に係るボトムコンタクト型の有機半導体装置の周辺部において有機半導体発光素子を集積化した模式的断面構造図を示す。
図３４は、本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置であって、第７の実施の形態に係るボトムコンタクト型の有機半導体装置の周辺部において有機半導体発光素子を集積化した模式的断面構造図を示す。
本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置は、図３４に示すように、本発明の第７の実施の形態において説明した図２１の構造の有機薄膜トランジスタと、有機半導体発光素子を集積化形成した構成を有する。
有機薄膜トランジスタは、有機半導体発光素子のドライバ用のトランジスタとして構成されることから、低電圧駆動かつ高輝度発光のためには、有機薄膜トランジスタのオン電流を増大することが必要である。本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置は、積層ゲート絶縁膜による高いオン電流と共に、ソース／ドレイン電極を本発明の第７の実施の形態に係る有機半導体装置の構造を適用することにより、更に高い駆動電流を実現している。
本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図３４に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置された金属層１６０,１８０と金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０，２２）と、ソース電極（１６０,２０）とドレイン電極（１８０，２２）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置された有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタと、前記有機薄膜トランジスタの周辺部において、基板１０上に配置されたアノード電極１３０と、アノード電極１３０上に配置された正孔輸送層１３２と、正孔輸送層１３２上に配置された発光層１３４と、発光層１３４上に配置された電子輸送層１３６と、電子輸送層１３６上に配置されたカソード電極１３８との積層構造からなる有機半導体発光素子をさらに備える。
半導体発光素子を搭載する基板１０の裏面には、カラーフィルタ５０を配置しても良い。
また、金属層２０,２２は、金（Ａｕ）電極で形成され、金属層１６０,１８０は、Ａｕ電極よりも仕事関数の大きな金属酸化物で形成される。
また、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層で形成される。
例えば、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の膜厚は、約１ｎｍ〜５ｎｍ程度、望ましくは、約１.２ｎｍ〜４ｎｍ程度である。また、金（Ａｕ）電極の膜厚は、例えば、約２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、望ましくは、約８０ｎｍである。
或いはまた、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層と、例えば厚さ約０．５ｎｍ程度の極薄のクロム(Ｃｒ)層との混合層で形成されていても良い。或いはまた、金属層１６０,１８０は、クロム(Ｃｒ)層とモリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の積層構造（Ｃｒ／ＭｏＯX）で形成されていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５はゲート絶縁膜１７０よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有する。
また、ゲート絶縁膜１５はタンタル酸化膜で構成されていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５は、例えば、厚さ１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄く、例えば、約５ｎｍ以下のシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
上記のように、ゲート絶縁膜１７０を低温成膜の薄いシリコン酸化膜で形成することによって、スパッタリング法若しくは陽極酸化法によるタンタル酸化膜と共に、プラスチックなどのフレキシブル基板へのプロセス処理が容易になる。
さらに、具体的に、本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図３４に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｎｄ層からなるゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約５ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され, 厚さ約２．５ｎｍのモリブデン酸化物（ＭｏＯX ）層からなる金属層１６０,１８０と厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２の積層構造からなるソース電極(１６０，２０)およびドレイン電極(１８０，２２)と、ソース電極(１６０，２０)とドレイン電極(１８０，２２)間であってゲート絶縁膜１７０上に配置され，例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタと、前記有機薄膜トランジスタの周辺部において、基板１０上に配置され,例えば、ＩＴＯからなるアノード電極１３０と、アノード電極１３０上に配置された正孔輸送層１３２と、正孔輸送層１３２上に配置された発光層１３４と、発光層１３４上に配置された電子輸送層１３６と、電子輸送層１３６上に配置され,例えば、Ａｌ／ＬｉＦ積層電極からなるカソード電極１３８との積層構造からなる有機半導体発光素子をさらに備える。
また、第１０の実施の形態と同様に、本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置においても、図３４に示すように、ｐ型有機半導体層２４上に正孔輸送層４２を配置し、さらに正孔輸送層４２上に正孔輸送層４４を配置し、さらに正孔輸送層４４上に電子輸送層４６を配置し、さらにこの電子輸送層４６上にキャップ用の導電体層４８を配置した積層構造を備えていても良い。すなわち、ｐ型有機半導体層２４と導電体層４８の間に電子輸送層４６と正孔輸送層４２,４４で構成されるｐｎダイオードが形成されていてもよい。
この場合、本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置は、ｐ型有機半導体層２４のＨＯＭＯのエネルギー準位の絶対値がキャップ用の導電体層の仕事関数の絶対値よりも大きくすると良い。ｐ型有機半導体層２４の代わりにｎ型有機半導体層を適用する場合には、ｎ型有機半導体層のＬＵＭＯのエネルギー準位の絶対値が導電体層の仕事関数の絶対値よりも小さくすれば良い。
上記の正孔輸送層４２,４４としては、例えば、α−ＮＰＤを用いることができる。電子輸送層４６としては、例えばＡｌｑ3などで形成することができる。導電体層４８は、例えば、ＭｇＡｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属材料、ＬｉＦ／Ａｌからなる金属積層構造、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成することができる。
本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置の構造においても、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０の材料としては、第７の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート電極１２０の材料としても、第７の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜１５の材料としても、第６の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ソース電極（１６０,２０）およびドレイン電極（１８０,２２）の材料としても、第７の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４を、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導体材料の分子構造例は、本発明の第６の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約５ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、金（Ａｕ）電極より仕事関数の大きな材料である金属酸化物層と金電極との積層型電極をソース／ドレイン電極として用い、かつ高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、Ａｕより仕事関数の大きな材料であるＭｏＯX等を用いてＭｏＯX／Ａｕのような積層型電極をＴａ2Ｏ5／ＳｉＯ2積層型ゲート絶縁膜と組み合わせて、必要に応じてＡｒ逆スパッタリング，ＵＶ／Ｏ3処理，Ａｒ／Ｏ2プラズマ処理，ＨＭＤＳ処理を単独もしくは複数実施して、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
（正孔輸送層を形成する正孔輸送材料）
図３８乃至図３９に示した正孔輸送層を形成する正孔輸送材料料の分子構造例は、本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
図３８乃至図３９に示した正孔輸送層を形成する正孔輸送材料料の分子構造例は、本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
（電子輸送層を形成する電子輸送材料）
図４０乃至図４１に示した電子輸送層を形成する電子輸送材料の分子構造例は、本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
図４０乃至図４１に示した電子輸送層を形成する電子輸送材料の分子構造例は、本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
発光層３４には、第１０の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
本発明の第１１の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、オン電流の増大した有機薄膜トランジスタと、低電圧駆動かつ高輝度発光の有機半導体発光素子を集積化する有機半導体装置を提供することができる。
[第１２の実施の形態]
図３５は、本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置であって、第８の実施の形態に係るボトムコンタクト型の有機半導体装置の周辺部において有機半導体発光素子を集積化した模式的断面構造図を示す。
図３５は、本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置であって、第８の実施の形態に係るボトムコンタクト型の有機半導体装置の周辺部において有機半導体発光素子を集積化した模式的断面構造図を示す。
本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置は、図３５に示すように、本発明の第８の実施の形態において説明した図２４の構造の有機薄膜トランジスタと、有機半導体発光素子を集積化形成した構成を有する。
有機薄膜トランジスタは、有機半導体発光素子のドライバ用のトランジスタとして構成されることから、低電圧駆動かつ高輝度発光のためには、有機薄膜トランジスタのオン電流を増大することが必要である。本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置は、積層ゲート絶縁膜による高いオン電流と共に、ソース／ドレイン電極を本発明の第８の実施の形態に係る有機半導体装置の構造を適用することにより、更に高い駆動電流を実現している。
本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図３５に示すように、基板１０と、基板１０上に配置されたゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置されたゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置されたゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置された金属層１６０,１８０と、金属層１６０,１８０上に配置された金属層２０,２２と、金属層２０,２２上に配置された金属層２６０,２８０との積層構造からなるソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）と、ソース電極（１６０,２０,２６０）とドレイン電極（１８０,２２,２８０）間であってゲート絶縁膜１７０上に配置された有機半導体層２４とを備え、金属層１６０,１８０および金属層２６０,２８０の仕事関数は金属層２０,２２の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタと、前記有機薄膜トランジスタの周辺部において、基板１０上に配置されたアノード電極１３０と、アノード電極１３０上に配置された正孔輸送層１３２と、正孔輸送層１３２上に配置された発光層１３４と、発光層１３４上に配置された電子輸送層１３６と、電子輸送層１３６上に配置されたカソード電極１３８との積層構造からなる有機半導体発光素子をさらに備える。
半導体発光素子を搭載する基板１０の裏面には、カラーフィルタ５０を配置しても良い。
また、金属層２０,２２は、金（Ａｕ）電極で形成され、金属層１６０,１８０および金属層２６０,２８０は、金電極よりも仕事関数の大きな金属酸化物で形成される。
また、金属層１６０,１８０および金属層２６０,２８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層で形成される。
例えば、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の膜厚は、約１ｎｍ〜５ｎｍ程度、望ましくは、約１.２ｎｍ〜４ｎｍ程度である。また、金（Ａｕ）電極の膜厚は、例えば、約２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、望ましくは、約８０ｎｍである。
或いはまた、金属層１６０,１８０は、モリブデン酸化物（ＭｏＯX）層と、例えば厚さ約０．５ｎｍ程度の極薄のクロム(Ｃｒ)層との混合層で形成されていても良い。或いはまた、金属層１６０,１８０は、クロム(Ｃｒ)層とモリブデン酸化物（ＭｏＯX）層の積層構造（Ｃｒ／ＭｏＯX）で形成されていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５はゲート絶縁膜１７０よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有する。
また、ゲート絶縁膜１５はタンタル酸化膜で構成されていても良い。
また、ゲート絶縁膜１５は、例えば、厚さ１００ｎｍ以下のタンタル酸化膜で構成され、ゲート絶縁膜１７０はゲート絶縁膜１５よりも薄く、例えば、約５ｎｍ以下のシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を備えていても良い。
上記のように、ゲート絶縁膜１７０を低温成膜の薄いシリコン酸化膜で形成することによって、スパッタリング法若しくは陽極酸化法によるタンタル酸化膜と共に、プラスチックなどのフレキシブル基板へのプロセス処理が容易になる。
さらに、具体的に、本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置の構造は、図３５に示すように、基板１０と、基板１０上に配置され,厚さ約１００ｎｍのＡｌ−Ｎｄ層からなるゲート電極１２０と、ゲート電極１２０上に配置され, 厚さ約１００ｎｍのタンタル酸化膜（ＰＶＤ−Ｔａ2Ｏ5）からなるゲート絶縁膜１５と、ゲート絶縁膜１５上に配置され, 厚さ約５ｎｍのシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳｉＯ2）からなるゲート絶縁膜１７０と、ゲート絶縁膜１７０上に配置され, 厚さ約２．５ｎｍのモリブデン酸化物（ＭｏＯX ）層からなる金属層１６０,１８０と、金属層１６０,１８０上に配置され,厚さ約８０ｎｍのＡｕ層からなる金属層２０,２２と、金属層２０,２２上に配置され, 厚さ約２．５ｎｍのモリブデン酸化物（ＭｏＯX ）層からなる金属層２６０,２８０との積層構造からなるソース電極(１６０，２０,２６０)およびドレイン電極(１８０，２２,２８０)と、ソース電極(１６０，２０,２６０)とドレイン電極(１８０，２２,２８０)間であってゲート絶縁膜１７０上に配置され，例えば、Ｐｙ１０５（Ｍｅ）からなる厚さ約５０ｎｍのｐ型有機半導体層２４とを備える有機薄膜トランジスタと、前記有機薄膜トランジスタの周辺部において、基板１０上に配置され,例えば、ＩＴＯから形成されるアノード電極１３０と、アノード電極１３０上に配置された正孔輸送層１３２と、正孔輸送層１３２上に配置された発光層１３４と、発光層１３４上に配置された電子輸送層１３６と、電子輸送層１３６上に配置され,例えば、Ａｌ／ＬｉＦ積層電極からなるカソード電極１３８との積層構造からなる有機半導体発光素子をさらに備える。
また、第１０乃至第１１の実施の形態と同様に、本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置においても、図３５に示すように、ｐ型有機半導体層２４上に正孔輸送層４２を配置し、さらに正孔輸送層４２上に正孔輸送層４４を配置し、さらに正孔輸送層４４上に電子輸送層４６を配置し、さらにこの電子輸送層４６上にキャップ用の導電体層４８を配置した積層構造を備えていても良い。すなわち、ｐ型有機半導体層２４と導電体層４８の間に電子輸送層４６と正孔輸送層４２,４４で構成されるｐｎダイオードが形成されていてもよい。
この場合、本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置は、ｐ型有機半導体層２４のＨＯＭＯのエネルギー準位の絶対値がキャップ用の導電体層の仕事関数の絶対値よりも大きくすると良い。ｐ型有機半導体層２４の代わりにｎ型有機半導体層を適用する場合には、ｎ型有機半導体層のＬＵＭＯのエネルギー準位の絶対値が導電体層の仕事関数の絶対値よりも小さくすれば良い。
上記の正孔輸送層４２,４４としては、例えば、α−ＮＰＤを用いることができる。電子輸送層４６としては、例えばＡｌｑ3などで形成することができる。導電体層４８は、例えば、ＭｇＡｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属材料、ＬｉＦ／Ａｌからなる金属積層構造、ＩＴＯ、ＩＺＯなどの無機導電体材料、ＰＥＤＯＴなどの有機導電体材料で形成することができる。
本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置の構造においても、各電極、各層はそれぞれスパッタ、蒸着、塗布などにより成膜される。
基板１０の材料としては、第８の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート電極１２の材料としても、第８の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ゲート絶縁膜１５の材料としても、第８の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ソース電極（１６０,２０,２６０）およびドレイン電極（１８０,２２,２８０）の材料としても、第８の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
ｐ型有機半導体層（トランジスタ活性層）２４を、例えば、ａ−Ｓｉ，ポリシリコンなどの無機半導体材料などで置換形成することもできる。
図３６乃至図３７に示したｐ型有機半導体材料の分子構造例は、本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、タンタル酸化膜と極薄（約１０ｎｍ程度以下）の低温成膜によるシリコン酸化膜（ＣＶＤ−ＳiＯ2）の積層化により、タンタル酸化膜に起因する有機薄膜トランジスタの静特性におけるヒステリシスを解決すると共に、シリコン酸化膜表面を有機半導体層との界面、すなわちチャネル部に接触することにより、既存のゲート絶縁膜の表面改質の手法が有効に機能することにより、その上に成膜する有機半導体材料の配向制御等が容易になり、高性能な有機薄膜トランジスタを有する有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、金（Ａｕ）電極より仕事関数の大きな材料である金属酸化物層と金電極との積層型電極をソース／ドレイン電極として用い、かつ高誘電率の絶縁膜を有機トランジスタのゲート絶縁膜として用い、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、Ａｕより仕事関数の大きな材料であるＭｏＯX等を用いてＭｏＯX／Ａｕ／ＭｏＯXのような３層構造の積層型電極をＴａ2Ｏ5／ＳｉＯ2積層型ゲート絶縁膜と組み合わせて、必要に応じてＡｒ逆スパッタリング，ＵＶ／Ｏ3処理，Ａｒ／Ｏ2プラズマ処理，ＨＭＤＳ処理を単独もしくは複数実施して、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、表面改質が容易であり、有機半導体材料の配向制御も良好で、有機薄膜トランジスタの特性向上（低電圧駆動，高駆動電流）を達成する集積化に適した有機半導体装置を提供することができる。
（正孔輸送層を形成する正孔輸送材料）
図３８乃至図３９に示した正孔輸送層を形成する正孔輸送材料料の分子構造例は、本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
図３８乃至図３９に示した正孔輸送層を形成する正孔輸送材料料の分子構造例は、本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
（電子輸送層を形成する電子輸送材料）
図４０乃至図４１に示した電子輸送層を形成する電子輸送材料の分子構造例は、本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
図４０乃至図４１に示した電子輸送層を形成する電子輸送材料の分子構造例は、本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置においても同様に適用することができる。
発光層３４には、第１０乃至第１１の実施の形態と同様の材料を用いることができる。
本発明の第１２の実施の形態に係る有機半導体装置によれば、正孔注入能力が高く、オン電流の増大した有機薄膜トランジスタと、低電圧駆動かつ高輝度発光の有機半導体発光素子を集積化する有機半導体装置を提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１乃至第１２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
上記のように、本発明は第１乃至第１２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
本発明の第１乃至第１２の実施の形態に係る有機半導体装置の構成に適用される有機半導体材料は、例えば、真空蒸着法、カラムクロマトグラフィー,再結晶法などの化学的精製法、昇華精製法、高分子材料の場合には、スピンコート,ディップコート,ブレードコート,インクジェット法などの湿式成膜法などを用いて形成することができる。
本発明の第１０乃至第１２の実施の形態に係る有機半導体装置の構成においては、ボトムコンタクト型の有機薄膜トランジスタと有機半導体発光素子の集積化構造を説明したが、第９の実施の形態において説明したようなトップコンタクト型の有機薄膜トランジスタと有機半導体発光素子の集積化構造も同様に実現可能である。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
本発明の有機半導体装置は、高性能な有機薄膜トランジスタとその集積化構造を実現できることから、有機ＣＭＯＳＦＥＴなどの有機集積回路分野、有機発光デバイス、フラットパネルディスプレイ,フレキシブルディスプレイを実現するための有機ＥＬディスプレイなどのフレキシブルエレクトロニクス分野、および透明エレクトロニクス分野、さらに照明機器、有機レーザ、太陽電池、ガスセンサ、味覚センサ,匂いセンサなどのバイオセンサなど幅広い分野において適用可能である。
Claims (25)
- 基板と、
前記基板上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、
前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、
前記第２ゲート絶縁膜上に配置され,第１金属層と第２金属層の積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間であって前記第２ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層と
を備える有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置。 - 前記有機薄膜トランジスタの周辺部において、
前記第１ゲート絶縁膜と、
前記第１ゲート絶縁膜上に配置される前記第２ゲート絶縁膜
との積層構造からなる積層型層間絶縁膜をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の有機半導体装置。 - 前記第１ゲート絶縁膜は前記第２ゲート絶縁膜よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、前記第２ゲート絶縁膜は前記第１ゲート絶縁膜よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有することを特徴とする請求項１に記載の有機半導体装置。
- 前記第１ゲート絶縁膜はタンタル酸化膜で構成され、前記第２ゲート絶縁膜は前記第１ゲート絶縁膜よりも薄いシリコン酸化膜で構成されて, 全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有することを特徴とする請求項１に記載の有機半導体装置。
- 基板と、
前記基板上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、
前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、
前記第２ゲート絶縁膜上に配置された第３ゲート絶縁膜と、
前記第３ゲート絶縁膜上に配置され,第１金属層と第２金属層の積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間であって前記第３ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層と
を備える有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置。 - 前記有機薄膜トランジスタの周辺部において、
前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、
前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、
前記第２ゲート絶縁膜上に配置された第３ゲート絶縁膜
との積層構造からなる積層型層間絶縁膜をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の有機半導体装置。 - 基板と、
前記基板上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、
前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、
前記第２ゲート絶縁膜上に配置された第３ゲート絶縁膜と、
前記第３ゲート絶縁膜上に配置された第４ゲート絶縁膜と、
前記第４ゲート絶縁膜上に配置された第５ゲート絶縁膜と、
前記第５ゲート絶縁膜上に配置され,第１金属層と第２金属層の積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間であって前記第５ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層と
を備える有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置。 - 前記有機薄膜トランジスタの周辺部において、
前記基板上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、
前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、
前記第２ゲート絶縁膜上に配置された第３ゲート絶縁膜と、
前記第３ゲート絶縁膜上に配置された第４ゲート絶縁膜と、
前記第４ゲート絶縁膜上に配置された第５ゲート絶縁膜
との積層構造からなる積層型層間絶縁膜をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の有機半導体装置。 - 前記有機半導体層がｐ型有機半導体であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の有機半導体装置。
- 基板と、
前記基板上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、
前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、
前記第２ゲート絶縁膜上に配置された第１金属層と、前記第１金属層上に配置された第２金属層の積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極間であって前記第２ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層とを備え、
前記第１金属層の仕事関数は前記第２金属層の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置。 - 前記第２金属層は、金電極で形成され、前記第１金属層は、前記金電極よりも仕事関数の大きな金属酸化物で形成されることを特徴とする請求項１０に記載の有機半導体装置。
- 前記第１金属層は、モリブデン酸化物層、モリブデン酸化物層とクロム層との混合層若しくはクロム層とモリブデン酸化物層の積層構造で形成されることを特徴とする請求項１１に記載の有機半導体装置。
- 前記第１ゲート絶縁膜は前記第２ゲート絶縁膜よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、前記第２ゲート絶縁膜は前記第１ゲート絶縁膜よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の有機半導体装置。
- 前記第１ゲート絶縁膜はタンタル酸化膜で構成されることを特徴とする請求項１３に記載の有機半導体装置。
- 基板と、
前記基板上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、
前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、
前記第２ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層と、
前記有機半導体層上に配置された第１金属層と、前記第１金属層上に配置された第２金属層の積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と
を備え、前記第１金属層の仕事関数は前記第２金属層の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置。 - 前記第２金属層は、金電極で形成され、前記第１金属層は、前記金電極よりも仕事関数の大きな金属酸化物で形成されることを特徴とする請求項１５に記載の有機半導体装置。
- 前記第１金属層は、モリブデン酸化物層、モリブデン酸化物層とクロム層との混合層若しくはクロム層とモリブデン酸化物層の積層構造で形成されることを特徴とする請求項１６に記載の有機半導体装置。
- 前記第１ゲート絶縁膜は前記第２ゲート絶縁膜よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、前記第２ゲート絶縁膜は前記第１ゲート絶縁膜よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有することを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の有機半導体装置。
- 前記第１ゲート絶縁膜はタンタル酸化膜で構成されることを特徴とする請求項１８に記載の有機半導体装置。
- 基板と、
前記基板上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置された第１ゲート絶縁膜と、
前記第１ゲート絶縁膜上に配置された第２ゲート絶縁膜と、
前記第２ゲート絶縁膜上に配置された有機半導体層と、
前記有機半導体層上に配置された第１金属層と、前記第１金属層上に配置された第２金属層と、前記第２金属層上に配置された第３金属層との積層構造からなるソース電極およびドレイン電極と
を備え、前記第１金属層および前記第３金属層の仕事関数は前記第２金属層の仕事関数よりも大きい有機薄膜トランジスタを有することを特徴とする有機半導体装置。 - 前記第２金属層は、金電極で形成され、前記第１金属層および前記第３金属層は、前記金電極よりも仕事関数の大きな金属酸化物で形成されることを特徴とする請求項２０に記載の有機半導体装置。
- 前記第１金属層は、モリブデン酸化物層、モリブデン酸化物層とクロム層との混合層若しくはクロム層とモリブデン酸化物層の積層構造で形成されることを特徴とする請求項２１に記載の有機半導体装置。
- 前記第１ゲート絶縁膜は前記第２ゲート絶縁膜よりも高誘電率の絶縁膜で構成され、前記第２ゲート絶縁膜は前記第１ゲート絶縁膜よりも薄いシリコン酸化膜、若しくは低温成膜の薄いシリコン酸化膜で構成されて,全体として積層型ゲート絶縁膜構造を有することを特徴とする請求項２０乃至２２のいずれか１項に記載の有機半導体装置。
- 前記第１ゲート絶縁膜はタンタル酸化膜で構成されることを特徴とする請求項２３に記載の有機半導体装置。
- 前記有機半導体層がｐ型有機半導体であることを特徴とする請求項１０乃至２４のいずれか１項に記載の有機半導体装置。
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