JPWO2011065465A1 - 有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法及び有機半導体デバイスのコンタクト構造 - Google Patents
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Abstract
Description
(a) 導電性の薄膜。
(b) 一方の面が有機半導体層に接し、他方の面が上記導電性の薄膜に接する、酸化を受け易い金属の自然酸化膜。
2 シリコン酸化膜
3 有機半導体層
4 電荷注入層
5 電流供給層
6 電極
10 有機トランジスタ
図1は、本発明の実施形態に係る有機トランジスタ10のデバイス構造を示すもので、(A)は概略斜視図、(B)は(A)のI-I線に沿った断面図である。
図1に示すように、有機トランジスタ10は、高ドープシリコンウエハ1上にシリコン酸化膜2が形成され、シリコン酸化膜2上にチャンネルとなる有機半導体層3が形成されている。本発明の有機トランジスタ10のコンタクト構造では、有機半導体層3と電流供給層5とのコンタクト界面に電荷注入層4が挿入されている。つまり、電荷注入層4は、一方の面が有機半導体層3に接し、他方の面が電流供給層5となる導電性の薄膜に接している。電荷注入層4は、酸化を受け易い金属の自然酸化膜からなる。電流供給層5と電荷注入層4とからなる電極6は、有機トランジスタ10のソース電極(S)及びドレイン電極(D)として作用する。なお、高ドープシリコンウエハ1は有機トランジスタ10のゲートとなる。
一方、銅(Cu)のような酸化物が導電性となる金属を用いて電荷注入層4を形成する場合は、5nm以上の膜厚があっても電荷注入を阻害することはない。より厚い膜厚の電荷注入層4を用いることも可能であるが、電荷注入層4として5nm以下の膜厚があればコンタクト抵抗を低減するのに十分な効果が得られる。
電流供給層5として透明酸化物電極を形成し、その上に電荷注入層4として酸化を受け易い金属薄膜を有機半導体層3よりも先に形成する。電流供給層5は陽極となる。その後で、電荷注入層4上に有機半導体層3を数層形成し、さらに陰極を形成することで有機発光ダイオードを作製できる。ここで、完成したデバイスを大気に暴露することで、電荷注入層4は自然酸化によって酸化物へと変質し、有機半導体層3への電荷注入効率を向上させることができる。なお、電荷注入層4の酸化は、有機半導体層3の形成よりも前に行ってもよい。つまり、電荷注入層4の酸化は、電荷注入層4となる金属薄膜の形成工程の後で、有機半導体層3の形成前に行ってもよい。
実施例1として、図1に示す有機トランジスタ10を作製した。電極6は電荷注入層4と電流供給層5とを有する2層構造とした。具体的には、高ドープシリコンウエハ1の表面に、200nmのシリコン酸化膜2を形成したものを基板として用いた。ここで、高ドープシリコンウエハ1はゲート電極、シリコン酸化膜2はゲート絶縁層として働く。シリコン酸化膜2の表面をフェネチルトリクロロシラン(Phenethyltrichlorosilane)によって改質した後に、有機半導体層3としてペンタセンを膜厚40nmの条件で真空蒸着し、その上に2層構造を有する電極6を形成した。この電極6の構成は、有機半導体層3の上に電荷注入層4としてCuを2nm蒸着し、その上に電流供給層5として金(Au)を38nm蒸着したものである。これらの2つの電極6は、一方をソース電極S、他方をドレイン電極Dとして使用する。素子作製後に大気下に暴露した際に、電荷注入層5は大気中の酸素によって酸化されて、自然酸化膜へと変化する。電荷注入層4となる層は、Cu以外にはAlを用いた有機トランジスタ10も作製した。
比較例1として、実施例1と同一の構成であるが、電荷注入層4の材料が金(Au)であることだけが異なる有機トランジスタ10を作製した。
図2は、従来の代表的な有機半導体であるペンタセンの価電子帯と電極金属の仕事関数の関係を示すエネルギーレベルダイヤグラムである。
図2に示すように、一般的にペンタセンに代表されるp型有機半導体に対しては、仕事関数の大きい金属が正孔の注入に有利であると考えられる。電荷注入層4に用いた金属の仕事関数は、Auが5.1eV、Cuが4.6eV、Alが4.28eVの順に大きいため、2層からなる電極6においてもAu、Cu、Alの順でコンタクト抵抗が低いと予想された。しかしながら、実際は図3に示すように、Al、Cu、Auの順で電流値が高くなった。
図4は、実施例1及び比較例3の電荷注入層4として、Cu、Al及びAuを用いた有機トランジスタ10のコンタクト抵抗を求めるための測定結果を示すグラフ(TLM)である。
図4から明らかなように、実施例1のAl、Cu、及び比較例1のAuのコンタクト抵抗は、それぞれ2600Ω・cm、4000Ω・cm、6300Ω・cmとなり、Alがコンタクト抵抗値が最も低く、次いでCuであり、Auがコンタクト抵抗値が最も高いことを示している。
図5に示すように、TLM法によって得られたコンタクト抵抗とゲート電圧の関係より、Alがコンタクト抵抗値が最も低く、次いでCuであり、Auがコンタクト抵抗値が最も高いことを測定した。以下の実施例、比較例においても同様にTLM法によりコンタクト抵抗を求めている。
実施例2では、電荷注入層4としてCu、Fe、Co、Be、Ni、Zn、Al、Crをそれぞれ用いて形成した点を除いて、実施例1と同様に、有機トランジスタ10を作製した。
比較用に、実施例1と同一の構造であるが、電荷注入層4としてAu、Ag、Pdをそれぞれ用いたことだけが異なる2層電極構造を持つ比較例2の有機トランジスタを作製し、これを比較例2とした。
実施例2と比較例2で作製された有機トランジスタ10のコンタクト抵抗を評価した。
図6は、実施例2及び比較例2の様々な電荷注入層4を用いた有機トランジスタ10のコンタクト抵抗と電荷注入層4に用いた金属の仕事関数との相関関係を示す図である。図7は、実施例2及び比較例2の様々な電荷注入層4を用いた有機トランジスタ10のコンタクト抵抗と電荷注入層4に用いた金属の酸化還元電位との相関関係を示す図である。
図6に示すように、コンタクト抵抗と、電荷注入層4として有機半導体3の上に蒸着された金属元素の仕事関数とはほとんど相関が測定されなかった。
一方、図7に示すように、コンタクト抵抗と電荷注入層4の金属元素の酸化還元電位とは良い相関性が見られた。このことより、電荷注入層4の仕事関数はコンタクト抵抗について支配的ではなく、電荷注入層4の酸化還元電位がコンタクト抵抗に大きな影響を与えていると考えられる。この酸化還元電位は、金属の酸化のされ易さを示す指標であり、酸化還元電位が低い金属ほど大気下で酸化を受け易いと考えられる。
実施例3として、実施例1と同一の構造であるが、電荷注入層4としてCu及びAlをそれぞれ持つことだけが異なる2層の電極6の構造を持つ有機トランジスタ10を作製した。有機トランジスタ10の作製は、真空蒸着装置と内部を不活性ガス雰囲気に保ったグローブボックス内で全て行うことで、デバイス作製過程の全てにわたって有機トランジスタ10を一度も大気に暴露しないようにした。すなわち、一貫して酸素が存在しない雰囲気中で処理を行った。その後、完成したコンタクト構造を有する有機トランジスタ10を大気下に取り出して4時間放置した後、電気特性を測定した。
比較例3として、電荷注入層4としてAuを有することだけが実施例3と異なる2層の電極構造を持つ有機トランジスタを、大気への暴露の条件まで含めて実施例3と同じ工程で作製した。その後、実施例3と同様に、完成したコンタクト構造を有する有機トランジスタを大気下に取り出して4時間放置した後、電気特性を測定した。
比較例4として、実施例1と同一の構造であるが、電荷注入層4としてAu、Cu、Be、Ni、Alをそれぞれ使用したことだけが異なる2層電極構造を持つ有機トランジスタ10を作製した。その作製条件として、実施例3及び比較例3と同じく真空蒸着装置と内部を不活性ガス雰囲気に保ったグローブボックス内で全て行うとともに、その後もこの雰囲気を維持したままで電気特性の測定を行った。すなわち、2層からなる電極構造を持つ有機トランジスタ10の作製及び電気測定を、測定まで当該素子を一度も酸素に露出することなく行った。
図8は、真空及び不活性雰囲気下で作製及び評価を行い、大気に露出することなく電気特性を測定した比較例4の電荷注入層4として、Au、Cu、Alを用いた有機トランジスタのドレイン・ソース電流−ゲート電圧特性を示すグラフである。
図8に示すように、作製当初から測定まで酸素を欠如した雰囲気中に保った場合には、Auのコンタクト抵抗が最小、Alのコンタクト抵抗が最大、つまり、Auのドレイン電流が最大、Alのドレイン電流が最小となり、電荷注入層4によるコンタクト抵抗の低減効果は得られなかった。
図9は、比較例4の有機トランジスタの電荷注入層4に用いた金属の仕事関数とコンタクトとの関係を示すグラフである。比較例4の有機トランジスタは、上述のように真空及び不活性雰囲気下で作製及び評価を行い、大気に露出することなく電気特性を測定した。
図9の分布図から分かるように、コンタクト抵抗と電荷注入層4用に蒸着した金属の仕事関数との間に相関性が見られた。
図10は、実施例3及び比較例3の真空及び不活性雰囲気下で作製後に大気下で露出させて、Cu、Al、及びAuの各金属を用いて電荷注入層4を形成した有機トランジスタ10のドレイン・ソース電流−ゲート電圧特性を示すグラフである。
図10に示すように、ドレイン・ソース電流−ゲート電圧特性は図3のグラフとほぼ同じになり、コンタクト抵抗の低減が測定された。実例例3の電荷注入層4としてCu、Alを用いた有機トランジスタ10は、比較例3の電荷注入層4としてAuを用いた有機トランジスタよりもドレイン電流が流れ易いことが分かった。つまり、実例例3の有機トランジスタ10は、比較例3の有機トランジスタに対してコンタクト抵抗の低減が測定された。
図11は、本発明のコンタクト構造において、ペンタセンの価電子帯と電荷注入層4の酸化物の仕事関数との関係を示すエネルギーレベルダイヤグラムである。
第1に、図11に示すように、電荷注入層4が酸化され、仕事関数の大きい金属酸化物に変化したことにより、電極6から有機半導体への電荷注入が容易になり、有機トランジスタ10のコンタクト抵抗が低減した。
図12は、本発明のコンタクト構造において、酸化物とペンタセンの間で電荷移動が生じることによってコンタクトの界面に新たにキャリアが生成する過程を説明するエネルギーレベルダイヤグラムである。
第2に、図12に示すように、電荷注入層4を形成する酸化され易い金属の酸化物とペンタセンの間で電荷移動が生じることによって、コンタクトの界面に新たにキャリアが生成してコンタクト抵抗が低減した。
実施例4では、実施例1において、電荷注入層4用の金属としてAlを使用し、その蒸着層の厚さを変化させてコンタクト抵抗を測定した。この測定結果を図13に示す。図13は、実施例4の電荷注入層4としてAlを用いた有機トランジスタ10のコンタクト抵抗と電荷注入層4の膜厚との関係を示すグラフである。
図13から分かるように、電荷注入層4の膜厚が5nmを超えるとこの膜を設けない場合、つまり、膜厚が0nmの場合よりもコンタクト抵抗が明らかに大きくなる。これは、Alの酸化物であるAlOxが絶縁体であるため、電流供給層5からの電流が電荷注入層4を通り抜けるための抵抗が電荷注入層4を設けることによるコンタクト抵抗の減少分よりも大きくなってしまうからであると考えられる。従って、膜厚は5nm以下が好ましい。大気中でのAlの自然酸化膜の厚さは5nmを超えるため、有機半導体層3の上に5nmよりも厚いAlの膜を形成すると電荷注入層4の抵抗まで含めたコンタクト抵抗は逆に増大するのである。酸化物が絶縁性であっても自然酸化膜の厚さが正味のコンタクト抵抗の減少を相殺してしまうような厚さには到達しない金属を使用することができれば、その金属層を厚くしても図13に示すような膜厚が5nm以上の場合に現れている問題は起こらない。あるいは、酸化物が導電性である場合にも、金属層を厚くしたことによる上述の問題は出現しない。
よって、本発明は有機トランジスタを含む多様な有機半導体デバイスの性能向上に大いに広く利用することが可能である。
Claims (19)
- 有機半導体層を形成する工程と、
導電体よりなる電流供給層を形成する工程と、を備え、
上記有機半導体層を形成する工程と上記導電体よりなる電流供給層を形成する工程との間に、酸化を受け易い金属の薄膜からなり上記電流供給層と一方の面で接し上記有機半導体層と他方の面で接する電荷注入層を形成する工程を設けた、有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。 - 導電体よりなる電流供給層を形成する工程と、
有機半導体層を形成する工程と、を備え、
上記導電体よりなる電流供給層を形成する工程と上記有機半導体層を形成する工程との間に、酸化を受け易い金属の薄膜からなり上記電流供給層と一方の面で接し上記有機半導体層と他方の面で接する電荷注入層を形成する工程を設けた、有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。 - 前記酸化を受け易い金属の薄膜を、周囲の酸素により酸化して自然酸化膜にする、請求項1又は2に記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。
- 前記周囲の酸素を、前記全ての工程の完了後に空気に暴露することによって供給するか、又は、前記電荷注入層を形成する工程後であって前記全ての工程の完了前に作製処理容器の外部に取り出した際に、空気に暴露することによって供給する、請求項3に記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。
- 前記電流供給層に用いる導電体は、金属、導電性を有する金属酸化物、導電性を有する有機物の何れかである、請求項1から4の何れかに記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。
- 前記酸化を受け易い金属は、酸化還元電位が+0.5Vよりも小さい、請求項1から5の何れかに記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。
- 前記電荷注入層の厚さは、5nm以下である、請求項1から6の何れかに記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。
- 前記酸化を受け易い金属は、ベリリウム(Be)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、及び鉄(Fe)の何れかである、請求項1から7の何れかに記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。
- 前記有機半導体層は、π電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、及び有機ケイ素化合物の何れかである、請求項1から8の何れかに記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。
- 前記有機半導体層は、ペンタセンを含むアセン系化合物、ペリレン系化合物、オリゴチオフェン類、ポリチオフェン類、銅フタロシアニンを含むフタロシアニン類、及びポルフィリン類の何れかである、請求項9に記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。
- 前記有機半導体デバイスは、有機トランジスタ、有機発光ダイオード、有機太陽電池、有機メモリの何れかである、請求項1から10の何れかに記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造の作製方法。
- 以下の(a)及び(b)を設けた、有機半導体デバイスのコンタクト構造。
(a) 導電性の薄膜。
(b) 一方の面が有機半導体層に接し、他方の面が上記導電性の薄膜に接する、酸化を受け易い金属の自然酸化膜。 - 前記酸化を受け易い金属は、酸化還元電位が+0.5Vよりも小さい、請求項12に記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造。
- 前記酸化を受け易い金属の厚さは、5nm以下である、請求項12又は13に記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造。
- 前記酸化を受け易い金属は、ベリリウム(Be)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、及び鉄(Fe)の何れかである、請求項12から14の何れかに記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造。
- 前記有機半導体層は、π電子共役系の芳香族化合物、鎖式化合物、有機顔料、及び有機ケイ素化合物の何れかである、請求項12から15の何れかに記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造。
- 前記有機半導体層は、ペンタセンを含むアセン系化合物、ペリレン系化合物、オリゴチオフェン類、ポリチオフェン類、銅フタロシアニンを含むフタロシアニン類、及びポルフィリン類の何れかである、請求項16に記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造。
- 前記導電性の薄膜は、金属、導電性を有する金属酸化物、及び導電性を有する有機物の何れかである、請求項12から17の何れかに記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造。
- 前記有機半導体デバイスは、有機トランジスタ、有機発光ダイオード、有機太陽電池、及び有機メモリの何れかである、請求項12から18の何れかに記載の有機半導体デバイスのコンタクト構造。
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