TWI422086B - A field effect transistor and its manufacturing method - Google Patents

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TWI422086B
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Masateru Taniguchi
Tomoji Kawai
Hideyuki Kawaguchi
Ikuo Fukui
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Univ Osaka
Shinetsu Chemical Co
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Description

有機場效電晶體及其製造方法
本發明係關於具有導電體層/絕緣體層/半導體層構造的有機場效電晶體(OFET)，尤其係關於液晶顯示器中的OFET或顯示p型及n型兩者的電晶體特性之雙極性OFET，及其製造方法。
使用習知型之矽半導體或化合物半導體的薄層場效電晶體(TFT)，不僅使用在一般的積體電路，其應用領域正日益擴大中。尤其，液晶顯示器中之TFT的使用正在普及化。又，近年來，液晶顯示器於朝向大型化發展之同時並朝精細化進展著，乃需要可因應比以往更高像素數之多數TFT的組裝。
然而，目前為止所使用的一般金屬系半導體中，在基板上形成電路時，由於藉由光阻劑等之圖案化及蝕刻等處理，致使在畫面上無法避免形成TFT上所產生微小的缺陷。而且，想要藉由此等處理來降低TFT的製造成本時，有一定的限制。在其他的薄型顯示器中，亦即在電漿顯示器、有機EL顯示器中使用TFT時亦同。
又，在近年來的大面積及精細化傾向下，製作TFT缺陷之機率有昇高的傾向，因而設法使此TFT缺陷抑制為最小限度的方法備受期盼。
再者，由於藉由光阻劑等之圖案化及蝕刻等處理，故 在降低製作成本方面有其限制。
另一方面，在具有金屬層/絕緣體層/半導體層構造(MIS構造)的TFT中，以有機物作為絕緣體及半導體的材料雖有進行嘗試，然而有關有機絕緣材料的內容之揭示甚少。例如日本特表平5-508745號公報(專利文獻1)中，有記載使用比介電常數為5以上的絕緣性有機高分子作為絕緣體層，使用重量平均分子量為2,000以下的多共軛有機化物作為半導體層而製作的裝置顯示出電場效果，其移動度為10-2 cm2 V-1 s-1 左右。然而，由於係使用α-六聯噻吩作為有機半導體材料，且藉由蒸鍍形成半導體層，故必須進行藉由光阻劑等之圖案化及蝕刻等處理，而無法達成成本的降低。
此外，關於有機絕緣材料，在例如上述專利文獻1及日本特開2005-72528號公報(專利文獻2)中曾例示出聚乙烯醇及氰基乙基普魯蘭多糖(cyanoethylpullulan)，然而此等物質為在分子內具有羥基的構造。當閘極絕緣膜材料中存有羥基時，在其與有機半導體層的界面附近羥基會捕捉電子，致不會顯示n型電晶體特性，或者即便能夠顯示n型電晶體特性，載體移動度也會變低，是其缺點。
適用利用習知型矽半導體或化合物半導體之TFT的新用途正開始增加，且對於更廉價或可彎曲之裝置(device)的需求也持續增加中。由於必須因應此趨勢，且可將低成本、柔軟性等多樣的功能性應用於裝置中，故有機半導體相關的研究正如火如荼地進行中。藉由其實用化
，可印刷性(printable)積體電路或電子紙等的實現是可期待的，但是幾乎所有的有機半導體均顯示p型舉動，顯示n型舉動者只有C60等極少的物質。
n型有機半導體在實現以p-n接合為代表的有機電子裝置上是非常重要的物質。
有機半導體一般不會顯示從p型至n型的極性反轉，原因在於，其帶隙比矽半導體大，所以即便施加很大的閘極電壓，將能帶(band)彎曲，也無法形成反轉層。為了形成反轉層，只要在閘極絕緣膜與有機半導體的界面誘發大量的載體即可，然而，使用習知的閘極絕緣膜時，高閘極電壓會導致絕緣破壞，因而難以誘發足以引起極性反轉的充分載體量。
例如，曾有使用具有高耐電壓，高介電常數-低漏電流的氧化鋁薄膜作為絕緣膜，且使用單晶作為有機半導體之提案(非專利文獻1:Appl, Phys. Lett, Vol. 85, p3899(2004))。此乃因為使用單晶作為有機半導體，可消除半導體薄膜中的晶粒(grain)或捕捉位階所產生的影響，故可期待能夠得到高移動度。但氧化物絕緣體雖具有容易薄膜化，且介電常數高的優點，相反地，必然地存有氧缺損，且耐電壓會降低。
另一方面，在日本特開2006-303453號公報(專利文獻3)中，曾揭示出使用特定的有機高分子(尤其是氰基乙基普魯蘭多糖)的雙極性OFET作為絕緣體層材料。然而，雖然在一般狀態係顯示p型舉動，但是為了使其顯示n型 舉動，必須施行在源極及汲極間施加該高分子化合物的抗電場以上、耐電壓以下的電壓汲極的極化處理(poling treatment)。
[專利文獻1]日本特表平5-508745號公報
[專利文獻2]日本特開2005-72528號公報
[專利文獻3]日本特開2006-303453號公報
[非專利文獻1]Appl, Phys. Lett, Vol. 85, p3899(2004)
本發明係有鑒於上述問題而開發者，其目的在於提供一種在使用有機物材料作為導電體層/絕緣體層/半導體層構造的半導體層及絕緣體層的材料之OFET中，可得到以往更高的載體移動度的OFET及其製造方法。
又，其他目的在於提供一種於未進行特別的處理下，顯示p型及n型兩者的電晶體特性之雙極性OFET及其製造方法。
本案發明人等為了達成上述目的，致力檢討的結果發現，造成n型電晶體特性降低的原因來自形成絕緣體層之物質中的羥基，且發現藉由使形成絕緣體層的物質具有較大的比介電常數，且使用不具有羥基的高分子物質，可比以往更能夠提高載體移動度，本發明於焉得以達成。
並發現：藉由使用此種高分子物質，即便沒有進行極化處理，作為動作條件，於僅改變所施加之閘極電壓的極性而沒有進行特別的處理下，施加負的閘極電壓時，會顯示一般的p型電晶體的特性，施加正的閘極電壓時，則顯示n型電晶體的特性，如此般可藉由比較簡單的方法得到顯示p型及n型兩者之電晶體特性的雙極性OFET，本發明於焉得以達成。
因此，本發明係提供如下所述之有機場效電晶體及其製造方法。
申請專利範圍第1項：具有導電體層/絕緣體層/半導體層構造的有機場效電晶體，其特徵為：形成半導體層的物質為有機化合物，形成絕緣體層的物質係由含有使以下式(1)所示之單體及/或以下式(2)所示之單體聚合或共聚合而得到的高分子物質所構成。
CH2 =CHCOO-(CH2 )2 -CN………(1)
CH2 =C(CH3 )COO-(CH2 )2 -CN………(2)
申請專利範圍第2項：如申請專利範圍第1項之有機場效電晶體，其中，上述有機場效電晶體係顯示p型、n型兩者的電晶體特性之雙極性有機場效電晶體。
申請專利範圍第3項： 如申請專利範圍第1或2項之有機場效電晶體，其中，上述高分子物質中的式(1)及(2)的莫耳比例為100:0~50:50。
申請專利範圍第4項：如申請專利範圍第1~3項中任一項之有機場效電晶體，其中，形成上述半導體層的物質係為可溶解於有機溶劑之重量平均分子量超過2,000且為1,000,000以下的有機化合物。
申請專利範圍第5項：如申請專利範圍第4項之有機場效電晶體，其中，形成上述半導體層的物質係聚噻吩類。
申請專利範圍第6項：一種有機場效電晶體之製造方法，其特徵為：在由導電體層所構成的閘極上，塗佈使以下式(1)所示之單體及/或下式(2)所示之單體聚合或共聚合得到之高分子物質溶解於有機溶劑所成之高分子溶液，使其乾燥而形成絕緣體層後，層合半導體層。
根據本發明，在具有導電體層/絕緣體層/半導體層構造的TFT中，將半導體層及絕緣體層材料兩者設定為有機化合物，並使用不具有羥基的高分子物質作為形成絕緣體層的物質，可在不使n型電晶體特性降低下進一步提升載體移動度。
又，在使用習知之矽系半導體或無機系半導體及絕緣體的電路形成技術中，必須進行藉由光阻劑等之圖案化及蝕刻等處理，相對於此，由於可進行主要採用溶劑製程的製作，故可利用以噴墨為代表的印刷技術等容易地製作，可減少電路上的缺陷機率，而可達成製造成本的降低。
更且，即使沒有進行極化處理，也可得到顯示p型及n型兩者之電晶體特性的雙極性有機場效電晶體。因此，可應用在p-n接合、反相器電路及雷射。
如圖1所示，本發明的雙極性OFET係在SiO2 等的基板1上形成作為閘極的導電體層2，並在該導電體層2上形成絕緣體層3，又在該絕緣體層3上形成半導體層4，並且在該半導體層4上形成源極5及汲極6。又，基板亦可使用玻璃或聚合片(polymer sheet)等。
此時，作為導電體層而言，可使用藉由一般的ITO(Indium Tin Oxide：氧化銦錫)膜或物理性氣相蒸鍍法(Physical Vapor Deposition)或有機金屬化學氣相蒸鍍法(Metal Organic CVD: MOCVD)之Au、Cu、Al等的單一金屬或Au/Ti、Cu/Ti、Al/Ti等的層合金屬，然而，就本發明的目的而言係以可利用印刷來製作者為佳，所以若沒有實用上之問題，以使用導電糊為佳。此外，作為導電糊，可舉出例如超導電碳黑(ketjenblack)等的導電性碳黑糊類、銀糊等的導電性金屬糊。
所謂半導體之極性反轉的現象係大幅依存於半導體與絕緣體之能帶排列(band alignment)與蓄積於界面的電荷量，所以就極性反轉的觀點而言，絕緣體的特性是更重要的關鍵。因此，可顯示電晶體動作，且可在界面蓄積巨大電荷的薄膜在進行極性反轉方面備受期盼。
因此，本案發明人等乃注意到有機絕緣膜一般具有較高的耐電壓且顯示低漏電流，乃進行檢討。如上所述，在作為絕緣膜的氧化鋁薄膜中無法避免氧缺損。有機化合物雖亦存有分子的缺損，然而氧化物的氧缺損會改變絕緣體的電子狀態，相對於此，由於有機化合物中分子上的缺損會不會影響電子狀態，故顯示低漏電流。然而，由於有機絕緣體的介電常數較低，故無法在界面蓄積多量的電荷。因此，本案發明人等進一步檢討的結果發現，藉由使用不具有呈現高耐電壓和高介電常數的羥基之特定的高分子化合物來作為形成絕緣體層的物質，可得到顯示p型及n型兩者的電晶體特性之雙極性OFET。
本發明的OFET中，形成絕緣體層的物質係含有使下式(1)所示的單體及/或下式(2)所示的單體聚合或共聚合所得到的高分子化合物。又，該高分子化合物係可溶解於有機溶劑，較佳者為以二甲基甲醯胺作為溶劑之於20℃時20質量%濃度的黏度為30~8,000Pa‧s。又，該黏度係依據使用旋轉黏度計的測定法所得到者。
CH2 =CHCOO-(CH2 )2 -CN---(1)
CH2 =C(CH3 )COO-(CH2 )2 -CN---(2)
具體而言，係溶解於二甲基甲醯胺等的溶劑之上述式(1)所示之單體(亦即，丙烯酸2-氰基乙酯)、及上述式(2)所示之單體(亦即，甲基丙烯酸2-氰基乙酯)的各均聚物及此兩種單體的共聚物。
此等高分子物質係藉由使用自由基聚合起始劑，使上述單體進行自由基聚合而製造。此處，自由基聚合起始劑亦可為通常所使用者，可舉出例如：2,2’-偶氮雙異丁腈、2,2’-偶氮雙(2,4-二甲基戊腈)、2,2’-偶氮雙-2-甲基丁腈等的偶氮系、過氧化苯醯等的過氧化物系觸媒等。本發明的高分子物質，其分子構造中必須具有氰基，故以具有腈基的偶氮系聚合起始劑作為自由基聚合起始劑尤佳。聚合起始劑的添加量相對於單體總量之莫耳數的莫耳數比，係以0.005~0.02為佳。當聚合起始劑的添加量過少於此量時，會有因自由基的失去活性等使得聚合無法充分進行的情形，若過多的話，除了變成難以控制聚合反應外，也會有得到之高分子物質的聚合度變得非常大且不溶於溶劑等難以供與後續之使用的情形。
為了控制聚合反應，亦可使用月桂硫醇等的鏈轉移劑。此時，鏈轉移劑的添加量相對於聚合起始劑的莫耳數之莫耳數比為0.05~1.0。若鏈轉移劑的添加量少於此範圍，依起始劑添加量而異，會有難以控制聚合反應等的不良情形產生，若多於此範圍，則會有無法充分進行聚合反應 的情形。
聚合方法可使用：塊狀聚合、溶液聚合、懸浮聚合、乳化聚合等一般已知的方法。作為溶液聚合時的聚合溶劑可例示出：丙酮、N,N’-二甲基甲醯胺、酯類、醚類等，只要是可溶解單體的溶劑，且不會阻礙聚合反應的溶劑皆可，並無特別限定。若考慮聚合反應後的精製步驟時，則以具有與晶出溶劑之混合性及與水之混合性的溶劑為佳，就此點考量，以丙酮、N,N’-二甲基甲醯胺為等為佳。
又，聚合溶劑中的單體濃度雖無特別限制，但是，進行聚合反應來作為溶液聚合時，若聚合溶劑中的聚合物濃度太過稀薄時，聚合反應有時無法充分地進行，故以10質量%以上為佳。又，於非使用聚合溶劑時，則成為塊狀聚合。
上述式(1)之丙烯酸2-氰基乙酯的均聚物係顯示比介電常數較高且軟化溫度較低的傾向。另一方面，上述式(2)之甲基丙烯酸2-氰基乙酯的均聚物，與上述式(1)之丙烯酸2-氰基乙酯的均聚物相比較，係顯示比介電常數較低且軟化溫度較高的傾向。關於比介電常數，就單體而言，比較上述上述式(1)之丙烯酸2-氰基乙酯與上述式(2)之甲基丙烯酸2-氰基乙酯時，作為偶極之氰乙基的分子內含量，於丙烯酸2-氰基乙酯較甲基丙烯酸2-氰基乙酯高。另一方面，關於軟化溫度，將丙烯酸酯均聚物與甲基丙烯酸酯均聚物進行比較時，一般來說甲基丙烯酸酯均聚物比較高 乃週知的事實，此在氰乙基系單體的聚合物亦同。
吾人認為，本發明之OFET的動作，係在閘極施加電位時於絕緣體層一半導體層的界面，藉由用以形成本發明之絕緣體層的高分子化合物所具有的偶極之氰乙基的進行配向而增進通道(channel)之形成，藉此而達成。因此，可以認為比介電常數較高者，其移動度等的功能也較高。又，當軟化溫度過低時，驅動中的溫度上昇，會造成絕緣體層變軟，所以會有無法呈現穩定的功能之情形，因此，形成絕緣體層的物質為上述式(1)及(2)之單體的共聚物時，上述式(1)與(2)之單體的莫耳比例以100:0~50:50為佳，尤以90:10~50:50為更佳。若式(2)之單體的莫耳比例多於上述比例時，軟化溫度變高，會有損及界面的柔軟性或比介電常數降低的情形。
本發明之OFET中，形成半導體層的物質係有機化合物，具體而言可舉出：戊五苯(pentacene)、銅酞菁、鐵酞菁等的金屬酞青、α-六聯噻吩等的低分子化合物、聚噻吩類、聚吡咯類、聚苯胺類、聚乙炔類、聚噻吩乙烯類、聚苯撐乙烯(polyphenylene vinylene)類等的高分子化合物。另一方面，為高分子化合物時，可溶解於有機溶劑之以GPC測定所得聚苯乙烯換算重量平均分子量以超過2,000、且為1,000,000以下的高分子化合物為佳，具體而言可舉出：聚噻吩類、聚吡咯類、聚苯胺類、聚乙炔類、聚噻吩乙烯類、聚苯撐乙烯類等。就對於有機溶劑的可溶性、良好的加工性等方面考量，尤以聚3-己基噻吩等的聚噻吩 類為特佳。
在絕緣體層上形成半導體層時，當形成半導體層的物質為低分子化合物時可使用真空蒸鍍等一般的方法。形成半導體層的有機化合物不論是低分子化合物或是高分子化合物，若是具有溶解於有機溶劑的性質時，則可藉由在絕緣體層上進行溶液塗佈、乾燥而進行層合，然而，此時，必須溶解於不會溶解絕緣體層的有機溶劑。此乃因欲藉由層合形成半導體層及絕緣體層時，通常界面狀態會變成不均勻的緣故。
本發明之有機場效電晶體的製造方法可舉出：藉由在有機絕緣膜上蒸鍍有機半導體層而形成的方法：或將有機半導體材料及有機絕緣材料各自溶解於有機溶劑，以進行塗著、乾燥的方法，然而，尤其後者的方法較簡便，故為特佳。此時，作為溶解構成絕緣體層之化合物的有機溶劑，可使用例如：N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N'-二甲基甲醯胺、丙酮、乙腈、γ-丁內酯等。另一方面，作為溶解構成半導體層之高分子化合物的有機溶劑，可使用例如：三氯甲烷、甲苯、己烷、醇類等。任一種情況皆可混合1種或2種以上來使用。
具體而言，係在由導電體層所構成的閘極上，塗佈使以上述式(1)表示的單體及/或以上述式(2)表示的單體聚合或共聚合得到之高分子物質其溶解於有機溶劑所成之高分子溶液，使其乾燥形成絕緣體層後，再塗佈將用以形成半導體層之有機化合物溶解在不會溶解絕緣體層之有機溶劑 中所成的溶液，使其乾燥形成半導體層。例如在選自玻璃或一般的聚合片(polymer sheet)等的基板上，藉由濺鍍形成作為閘極的導電體層；或藉由旋轉塗佈、網版印刷、噴墨印刷以塗佈導電糊或導電性高分子等，加以乾燥而形成。此外，亦可使用一般可取得之附設有ITO膜的玻璃。
在所形成的閘極上，將形成絕緣體層的物質溶解於有機溶劑得到所成之溶液，藉由旋轉塗佈、網版印刷、噴墨印刷塗佈，並乾燥而形成絕緣體層。
接著，將用以形成半導體層的物質溶解於不會溶解上述絕緣性高分子化合物的有機溶劑得到所成的溶液，藉由旋轉塗佈、網版印刷、噴墨印刷塗佈於絕緣體層上，並乾燥而製作半導體層。此外，為了使半導體分子配向於絕緣體層-半導體層間的界面，亦可在絕緣體層表面進行週知的摩擦處理等的物理性處理。
最後，在半導體層上藉由濺鍍形成源極及汲極，或藉由網版印刷、噴墨印刷塗佈導電糊或導電性高分子等，並加以乾燥。
本發明的OFET係在導電體層所構成的閘極上設置絕緣體層，並在其上形成半導體層，又在半導體層上形成有源極及汲極的構造。在閘極施加電位，可形成電場，藉由電場效應可在絕緣體層附近的半導體中產生電荷，而在半導體層中形成導電性區域(所謂的通道(channel))。此乃意味絕緣體層和半導體層的界面狀態非常重要，其界面愈平坦愈佳。
此外，絕緣體層的厚度宜為0.2~10μm，尤以0.5~3μm為佳；半導體層的厚度宜為50~300nm，尤以50~100nm為佳；導電體層的厚度以30~50nm為佳，但是並非限定於此。
於本發明的有機場效薄層電晶體為雙極性有機場效電晶體的情況下，施加正的閘極電壓時，會顯示n型電晶體的特性，施加負的閘極電壓時，則會顯示p型電晶體的特性。
[實施例]
以下，以實施例及比較例就本發明具體地加以說明，然而本發明並非限定於此等實施例。
[實施例1]
將具有冷卻管及攪拌機的3口燒瓶(500ml)置換成氮氣後，加入70g之利用一般的減壓蒸餾法所蒸餾的丙烯酸2-氰基乙酯單體。然後，加入163g之經脫水處理的丙酮作為聚合溶劑、相對於單體之莫耳數比為0.01之作為自由基起始劑之2,2'-偶氮雙異丁腈，以及作為鏈轉移劑之0.001莫耳的月桂硫醇。連接氮氣導入管，以反應溫度60℃，反應時間300分鐘的條件進行反應。完成後，冷卻至室溫，移入過剩量的甲醇中使反應液析出，接著，將析出物溶解於丙酮，重複數次以過剩量的甲醇析出的步驟。然後，將所精製的析出物加以乾燥，得到約63g之以二甲基甲醯胺 作為溶劑之於20℃時20質量%的黏度為305mPa‧s，40℃/1kHz的比介電常數為約11，軟化溫度為約30℃的聚(丙烯酸2-氰基乙酯)。
使用聚(丙烯酸2-氰基乙酯)作為形成絕緣體層的物質，且使用銅酞菁(ALDRICH公司製)作為形成半導體層的物質，利用下述的方法製作有機場效電晶體，並進行評估。
在熱氧化矽基板上，以室溫、反壓10-4 Pa的條件，利用RF濺鍍法，蒸鍍20nm的Ti，然後，蒸鍍60nm的Au，藉此來製作閘極。
接著，在閘極Au表面上，將聚(丙烯酸2-氰基乙酯)的二甲基吡咯烷酮20質量%溶液藉由0.2μm薄膜濾器(membrane filter)加以過濾後，進行旋轉塗佈，以60℃進行24小時的真空加熱乾燥，而形成2μm的絕緣體層。該絕緣膜之1kHz中的靜電電容為6nF/cm2 。
然後，使用銅酞菁，藉由真空蒸鍍法製作膜厚為70nm的半導體層。進行X線繞射測定，得知在2θ=6.8∘可觀測到峰值，且銅酞菁薄膜為α構造。
將基板冷卻至-20℃，在半導體層經由金屬遮罩，以反壓10-5 Pa以下的條件，藉由RF濺鍍法，蒸鍍20nm的Au。源極-汲極間的距離與電極寬度，分別為50μm的間隔(圖1中，L=50μm)、4.0mm寬度(圖1中，W=4.0mm)。
所製作之場效電晶體的電性特性評估係在1.3×10-3 Pa以下的真空、遮光下進行。
在室溫(25℃)測定電流-電壓(ISD -VSD )特性，如圖2所示，施加正的閘極電壓時，會形成空缺層，故於低閘極電壓下，電流值會減少，但於高閘極電壓下，則會形成反轉層，顯示電流值逐漸增加的n型特性(圖2)。從源極-汲極電流-源極-汲極電壓曲線的通道電導(channel conductance)估計移動度，場效移動度為1.0×10-4 cm2 /Vs。閘極絕緣膜使用氰基乙基普魯蘭多糖之比較例1所示的元件中，只有施加電壓時，不會顯示n型的電晶體特性。所以，必須進行極化處理，即便與極化處理後的移動度相比較，本發明所示的場效移動度可得到接近100倍之快速的移動度，可以看到電子移動度急遽提升。
[實施例2]
在實施例1所製作的場效電晶體施加負的閘極電壓，以在室溫(25℃)測定電流-電壓(ISD -VSD )特性，如圖3所示，顯示在閘極電壓增加的同時，電流值也逐漸增加之典型的p型電晶體特性(圖3(A))。另一方面，由於施加正的閘極電壓時，會形成空缺層，故於低閘極電壓下，電流值會減少，但於高閘極電壓下，則會形成反轉層而顯示電流值逐漸增加的n型特性(圖3(B)。因為銅酞菁層為p型，且帶隙為較大的1.5eV，所以不論是否有蓄積多量的電荷，皆認為是弱的反轉狀態。因此，n型的源極-汲極電流值相較於p型的源極-汲極電流值，係顯示為其10分之1(│Vg│=50V時)的較小值。
然後，從源極-汲極電流-源極-汲極電壓曲線的通道電導(channel conductance)估計移動度(μ)。p型的移動度為1.0×10-3 cm2 /Vs，與將氧化矽設定為閘極絕緣膜的場效電晶體中所得到的值為大致相同程度。另一方面，n型的場效移動度為1.0×10-4 cm2 /Vs，約為p型的約10分之1。
在閘極絕緣膜使用氰基乙基普魯蘭多糖之比較例1所示的元件中，為了得到n型的電晶體特性，必須進行極化處理，即便與進行極化處理後的移動度相比較，本發明所示之n型的場效移動度可得到接近100倍之快速的移動度，可以看到電子移動度急遽地提升。又，∣VSD │=50V中之p型、n型的On/Off比均為100左右，VT 分別為-44V、73V。
[實施例3]
使用丙烯酸2-氰基乙酯單體與甲基丙烯酸2-氰基乙酯單體，來取代單獨使用丙烯酸2-氰基乙酯單體，並進行與實施例1同樣地操作，而得到丙烯酸2-氰基乙酯單體與甲基丙烯酸2-氰基乙酯單體之莫耳比為50:50的共聚合體作為形成絕緣體層的物質。該共聚合體之以二甲基甲醯胺作為溶劑之於20℃時20質量%的黏度為332mPa‧s，40℃/1kHz的比介電常數為約10，軟化溫度為約60℃。
使用所得到的共聚合體，利用與實施例1及實施例2所示之同樣的方法製作場效電晶體，並進行特性評估，顯示與實施例1及實施例2同樣優良的電晶體特性。
[實施例4]
使用丙烯酸2-氰基乙酯單體與甲基丙烯酸2-氰基乙酯單體，來取代單獨使用丙烯酸2-氰基乙酯單體，並進行實施例1同樣地操作，而得到丙烯酸2-氰基乙酯單體與甲基丙烯酸2-氰基乙酯單體之莫耳比為90:10的共聚合體作為形成絕緣體層的物質。該共聚合體之以二甲基甲醯胺作為溶劑之於20℃時20質量%的黏度為321mPa‧s，40℃/1kHz的比介電常數為約11，軟化溫度為約40℃。
使用所得到的共聚合體，利用與實施例1及實施例2所示之方法同樣的方法製作場效電晶體，並進行特性評估，顯示與實施例1及實施例2同樣優良的電晶體特性。
[比較例1]
使用氰乙基取代率為85.2莫耳%的氰基乙基普魯蘭多糖(CyEPL、信越化學工業(股)製、CR-S、重量平均分子量：49,000)作為形成絕緣體層的物質，使用銅酞菁(ALDRICH公司製)作為形成半導體的物質，利用以下所示的方法製作有機場效電晶體，並進行評估。在熱氧化矽基板上，以室溫、反壓10-4 Pa的條件，利用RF濺鍍法，蒸鍍20nm的Ti，然後蒸鍍60nm的Au，藉此製作閘極。
接著，在閘極Au表面上，將氰基乙基普魯蘭多糖的N-甲基-2-吡咯烷酮15質量%溶液藉由0.2μm薄膜濾器(membrane filter)加以過濾後，進行旋轉塗佈，以100℃進 行1小時的乾燥，而形成2μm的絕緣體層。該絕緣膜之1kHz中的靜電電容為17.7nF/cm2 。
然後，利用真空蒸鍍法，製作膜厚為70nm的銅酞菁膜。進行X線繞射測定，得知在2θ=6.8∘可觀測到峰值，且銅酞菁薄膜為α構造。
將基板冷卻至-20℃，在半導體層經由金屬遮罩，以反壓10-5 Pa以下的條件，利用RF濺鍍法，蒸鍍300nm的Au。源極-汲極間的距離與電極寬度，分別為38μm的間隔(圖1中，L=38μm)、3.9mm寬度(圖1中，W=3.9mm)。
所製作之場效電晶體的電性特性評估係在1.3×10-3 Pa以下的真空、遮光下進行。
於未對絕緣膜進行極化處理下，在室溫(25℃)測定電流-電壓(ISD -VSD )特性，如圖4所示，若施加正的閘極電壓，在閘極電壓增加的同時，源極-汲極電流會變小，只會繼續地形成空缺層。
然後，為了得到較大的蓄積電荷量，施加抗電場以上的源極-汲極電壓(│VSG │=20V)2,000秒鐘以上，以進行極化處理後，在室溫測定裝置的電流-電壓(ISD -VSD )特性。由於施加正的閘極電壓時，會形成空缺層，故於低閘極電壓下，電流值會減少，但於高閘極電壓下，則會形成反轉層，顯示電流值逐漸增加的n型特性。與實施例1同樣地求得的場效移動度為3.5×10-6 cm2 /Vs。
[比較例2]
於未對比較例1所製作之場效電晶體的絕緣膜進行極化處理下，在室溫(25℃)測定電流-電壓(ISD -VSD )特性，於負的閘極電壓時，顯示典型的p型性質。另一方面，於正的閘極電壓時，在閘極電壓增加的同時，源極-汲極電流會變小，只會繼續地形成空缺層。
接著，為了得到較大的蓄積電荷量，施加抗電場以上的源極-汲極電壓(│VSG ∣=20V)2,000秒鐘以上以進行極化處理後，在室溫下測定裝置的電流-電壓(ISD -VSD )特性。如圖5所示，施加負的閘極電壓時，顯示出在閘極電壓增加的同時，電流值也逐漸增加之典型的p型電晶體特性(圖5(A))。另一方面，於施加正的閘極電壓的情況，若施加閘極電壓時，會益為空缺化，電流值益為減少，然而，於20V以上時，則會形成反轉層，顯示電流值逐漸增加的n型特性(圖5(B))。由於銅酞菁層為p型，且帶隙為較大的1.5eV，所以不論是否有蓄積多量的電荷，皆認為是弱的反轉狀態。因此，n型的源極-汲極電流值相較於p型的源極-汲極電流值，係顯示為其2,000分之1(│Vg│=50V時)的較小值。電場移動度一般是從飽和電流值求得，但在該裝置中，由於靜電電容量無法以Q=CV決定，故從源極-汲極電流-源極-汲極電壓曲線的通道電導(channel conductance)來估計移動度(∫)。VT 為源極-汲極電流上升的臨界值電壓，且使用ISD -(W/L)μ [P+C(VSG -VT )]VSD 的式子。p型的移動度為4.1×10-3 cm2 /Vs，與將氧化矽作為閘極絕緣膜的場效電晶體中所得到的值為大致相同程度。
另一方面，n型的場效移動度3.5×10-6 cm2 /Vs為p型的約1,000分之1。又，∣VSD │=10V中之p型、n型的on/off比分別為6×104 、70左右，VT 分別為-0.1V、0.9V。
1‧‧‧基板
2‧‧‧導電體層(閘極)
3‧‧‧絕緣體層
4‧‧‧半導體層
5‧‧‧源極
6‧‧‧汲極
圖1係表示本發明之OFET之一態樣的斜視圖。
圖2係表示本發明之實施例1之OFET的ISD -VSD 特性之曲線圖。
圖3係表示本發明之實施例2之OFET的ISD -VSD 特性之曲線圖。
圖4係表示本發明之比較例1之OFET的ISD -VSD 特性之曲線圖。
圖5係表示本發明之比較例2之OFET的ISD -VSD 特性之曲線圖。
1‧‧‧基板
2‧‧‧導電體層(閘極)
3‧‧‧絕緣體層
4‧‧‧半導體層
5‧‧‧源極
6‧‧‧汲極

Claims (6)

  1. 一種有機場效電晶體，係具有導電體層/絕緣體層/半導體層構造者，其特徵為：形成半導體層的物質為有機化合物，形成絕緣體層的物質係僅由含有使以下式(1)所示之單體及/或以下式(2)所示之單體聚合或共聚合而得到的高分子物質所構成；CH2 =CHCOO-(CH2 )2 -CN---(1) CH2 =C(CH3 )COO-(CH2 )2 -CN---(2)。
  2. 如申請專利範圍第1項之有機場效電晶體，其中，上述有機場效電晶體係顯示p型、n型兩者的電晶體特性之雙極性有機場效電晶體。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之有機場效電晶體，其中，上述高分子物質中的式(1)及(2)的莫耳比例為100：0~50：50。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之有機場效電晶體，其中，形成上述半導體層的物質為可溶解於有機溶劑之重量平均分子量超過2,000且為1,000,000以下的有機化合物。
  5. 如申請專利範圍第4項之有機場效電晶體，其中，形成上述半導體層的物質係聚噻吩類。
  6. 一種有機場效電晶體之製造方法，其特徵為：在由導電體層所構成的閘極上，塗佈使以下式(1)所示之單體及/或下式(2)所示之單體聚合或共聚合得到之高分子物質溶解於有機溶劑所成之高分子溶液，使其乾燥而形成僅由上述高分子物質所構成之絕緣體層後，進行層合 半導體層；CH2 =CHCOO-(CH2 )2 -CN---(1) CH2 =C(CH3 )COO-(CH2 )2 -CN---(2)。
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