WO2006054709A1 - 電界効果トランジスタおよびその製造方法、ならびにそれを用いた電子機器 - Google Patents

電界効果トランジスタおよびその製造方法、ならびにそれを用いた電子機器 Download PDF

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organic
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Takayuki Takeuchi
Kenji Harada
Nobuaki Kambe
Jun Terao
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Osaka University NUC
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H10K10/466—Lateral bottom-gate IGFETs comprising only a single gate

Definitions

  • the present invention relates to a field effect transistor including a semiconductor layer containing an organic molecule, a method for manufacturing the same, and an electronic device using the same.
  • TFTs Thin film transistors
  • TFTs are currently expected as driving elements in active matrix liquid crystal displays and the like.
  • TFTs are usually made of inorganic semiconductor materials such as amorphous silicon and low-temperature polysilicon. By forming the semiconductor layer of the TFT with organic molecules, it is possible to reduce the cost and increase the area.
  • FETs field effect transistors using organic semiconductor molecules
  • FETs field effect transistors using organic semiconductor molecules
  • One of the factors is that the movement of charges in organic semiconductor molecules is very fast, but the movement of charges between organic semiconductor molecules is slower than that. It is possible to obtain only characteristics limited to the moving speed.
  • a semiconductor layer in which a conductive path is formed by fine particles having a conductor or semiconductor power and organic semiconductor molecules bonded thereto Japanese Patent Laid-Open No. 2004-88090.
  • an electronic device using a ⁇ -conjugated polymer as a conductive organic molecule is easily affected by oxygen and water, and it is necessary to use a separate sealing structure in order to maintain device characteristics. It was.
  • a method for improving the reliability of a device by enclosing a conductive polymer with an insulating cyclic molecule such as cyclodextrin has been disclosed. (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-298067).
  • either a conductor or a semiconductor may be selected as the fine particles! Since it is easier to obtain simple device characteristics by developing semiconductor physical properties using only organic materials, it is preferable in terms of device design to use fine particles that also have conductor strength. However, when a conductor is used as the fine particle, if the chain length of the organic semiconductor molecule is short with respect to the particle size of the fine particle, contact between the fine particles as a conductor and charge hopping between the fine particles occur. As a result, problems such as short circuit and increased leakage current may occur.
  • the present invention provides a field effect transistor having a semiconductor layer containing organic molecules and capable of high-speed carrier movement, a method for manufacturing the same, and various electronic devices using the same.
  • One of the purposes is to do.
  • a field effect transistor of the present invention is a field effect transistor including a semiconductor layer including a portion functioning as a channel region, wherein the semiconductor layer is dispersed in the semiconductor layer.
  • the electronic device of the present invention is an electronic device including at least one field effect transistor, wherein the field effect transistor includes a semiconductor layer including a portion functioning as a channel region, and the semiconductor layer includes A plurality of conductive fine particles dispersed in the semiconductor layer, organic semiconductor molecules that are chemically bonded to the fine particles and connect the fine particles,
  • An electronic device including a cyclic molecule as a constituent element, wherein the organic semiconductor molecule includes a ⁇ -electron conjugated chain as a main chain, and the ⁇ -electron conjugated chain is included by the cyclic molecule.
  • the manufacturing method of the present invention is a method of manufacturing a field effect transistor including a semiconductor layer including a plurality of conductive fine particles, wherein (I) the plurality of the fine particles are included by a cyclic molecule.
  • An organic semiconductor molecule having a ⁇ -electron conjugated chain and two terminal groups disposed at both ends of the ⁇ -electron conjugated chain and chemically bonded to the fine particle is brought into contact with each other in a solvent.
  • solvent means a dispersion medium.
  • conductive fine particles are connected by a ⁇ -electron conjugated chain. Since this ⁇ -electron conjugated chain is clathrated with a cyclic compound, relatively high linearity is maintained even when the main chain length is long. Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a stable field effect transistor in which short circuit and leakage current are small and carrier mobility is high. Further, according to the present invention, resistance to oxygen, water, etc., which has been a problem in a semiconductor layer using organic semiconductor molecules, can be improved.
  • the electronic device of the present invention uses the field effect transistor of the present invention, the transistor can be formed at a low temperature on a flexible substrate such as a plastic substrate. Therefore, according to the present invention, it is flexible and lightweight! / Gives special characteristics to electronic devices.
  • FIG. 1A to FIG. 1D are cross-sectional views schematically showing examples of the FET of the present invention.
  • FIGS. 2 and 2 are cross-sectional views schematically showing other examples of the FET of the present invention.
  • FIG. 3A shows the chemical formula of cyclodextrin.
  • Fig. 3 (b) is a perspective view schematically showing the shape of cyclodextrin.
  • FIG. 4A is a schematic view showing a state in a semiconductor layer of an example of an organic semiconductor molecule used in the present invention.
  • Figure 4 ⁇ shows the molecule of Fig. 4 ⁇ before binding to gold particles.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a state of a semiconductor layer in the vicinity of a source electrode with respect to the FET of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a state of a semiconductor layer in the vicinity of a source electrode for another example of the FET of the present invention.
  • FIG. 7A and FIG. 7B show other examples of organic semiconductor molecules used in the present invention, respectively.
  • FIG. 8 shows an example of the terminal group of the organic semiconductor molecule used in the present invention.
  • FIG. 9 is a partially exploded perspective view schematically showing an example of the active matrix display of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing a drive circuit of the display shown in FIG. 9 and its peripheral configuration.
  • FIG. 11 is a perspective view schematically showing a configuration of an example of a wireless ID tag.
  • FIG. 12 is a perspective view schematically showing a configuration of an example of a mobile TV.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing a configuration of an example of a communication terminal.
  • FIG. 14 is a perspective view schematically showing an example of a portable medical device.
  • FIG. 15A shows an example of a cross section of a semiconductor layer.
  • FIG. 15B shows an example of the particle size distribution of the conductive fine particles in the semiconductor layer.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of a process for synthesizing the compound of FIG. 4B.
  • FIG. 17 is a diagram showing a step that follows the step shown in FIG. 16.
  • FIG. 18 is a diagram showing an example of a synthesis process of the compound of FIG. 7A.
  • FIG. 19 is a diagram showing an example of a process for synthesizing the compound of FIG. 7B.
  • FIG. 20A, FIG. 20B, and FIG. 20C each show an example of an organic semiconductor molecule used in the present invention.
  • the field effect transistor of the present invention includes a semiconductor layer including a portion functioning as a channel region.
  • the semiconductor layer includes a plurality of conductive fine particles dispersed in the semiconductor layer and organic semiconductor molecules (hereinafter referred to as “organic molecules (A)”) that are chemically bonded to the fine particles to connect the fine particles. In some cases) and a cyclic molecule as a constituent.
  • Organic molecule (A) is ⁇
  • An electron conjugated chain is included as the main chain.
  • the ⁇ -electron conjugated chain is encapsulated by a cyclic molecule.
  • the fine particles and the organic molecules ( ⁇ ) form a network.
  • Known constituents and materials can be applied to constituent parts other than the semiconductor layer without particular limitation.
  • the semiconductor layer is a layer whose conductivity is changed by application of an electric field.
  • the thickness of the semiconductor layer is not particularly limited, and may be in the range of, for example, 30 nm to: m.
  • the semiconductor layer is typically composed of conductive fine particles, organic semiconductor molecules, and cyclic molecules, but may contain other substances as long as the effects of the present invention can be obtained.
  • the total of the conductive fine particles, organic semiconductor molecules, and cyclic molecules is usually 50% by mass or more of the semiconductor layer, for example, 90% by mass or more.
  • the organic molecule (A) is a molecule whose main chain is a molecular chain ( ⁇ electron conjugated chain) formed by ⁇ electron conjugated bonds, and exhibits semiconducting properties. Both ends of the organic molecule ( ⁇ ) are bonded to conductive fine particles. The end of some organic molecules ( ⁇ ) may be bonded to the source electrode or the drain electrode.
  • the main chain ( ⁇ electron conjugated chain) of the organic molecule ( ⁇ ) is preferably highly linear.
  • the organic molecule (A) may be one type of organic molecule or a plurality of types of organic molecules. A specific example of the organic molecule (A) will be described in Embodiment 1.
  • the main chain length of the organic molecule (A), that is, the length of the ⁇ -electron conjugated chain constituting the main chain is, for example, in the range of 5 nm to 50 nm, and preferably in the range of 10 nm to 30 nm.
  • the main chain length of the organic molecule ( ⁇ ) is the both ends of the main chain calculated from the molecular structure when it is assumed that the linearity of the ⁇ -electron conjugated chain constituting the main chain is the highest.
  • the average main chain length of the organic molecule ( ⁇ ) is preferably not less than the average particle size of the fine particles. According to this configuration, since the distance between the fine particles is equal to or greater than the average particle size of the fine particles, an increase in short circuit and leakage current can be suppressed, and high reliability can be obtained and a field effect transistor can be obtained.
  • the average main chain length of the organic molecule (A) is more preferably in the range of 1 to 3 times the average particle size of the fine particles.
  • the “average main chain length” of the organic molecule (A) means the main chain of the organic molecule (A) having the highest content ratio among a plurality of types of organic molecules (A) having different chain lengths. Means long.
  • the main chain of the organic molecule (A) is usually composed of repeating predetermined structural units. The number of repetitions is distributed around one value. At this time, the length of the main chain having the highest number of repetitions is the “average main chain length”.
  • the organic molecule (A) may include a plurality of types of molecules having different main chain lengths! According to this configuration, since the number of organic semiconductor molecules that connect the fine particles increases as compared with the case where organic semiconductor molecules having a uniform main chain length are used, the amount of current that can be passed through the semiconductor layer can be increased.
  • the cyclic molecule only needs to include the main chain of the organic molecule (A) to improve the linearity of the main chain.
  • A the main chain of the organic molecule
  • the cyclic molecule for example, cyclodextrin, cyclodextrin derivative, or those obtained by crosslinking these into a tube shape can be used. Cyclodextrin has a short tubular shape and is preferably used. A specific example of the cyclic molecule will also be described in Embodiment 1.
  • the organic molecule (A) included in the cyclic molecule can be synthesized by a known method.
  • An example of a synthesis method using a Suzuki coupling reaction has been disclosed by Anderson et al. (Harry L. Anderson et al., Insulated 'Molecular ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ iff ⁇ (Insulated Molecular Wires), Angewandte Chemie, International Edition ⁇ 2000, 39, No. 19, p. 3456-3460).
  • the conductive fine particles are made of a conductive material (conductor) at least on the surface, and can be formed of, for example, a metal, a conductive metal oxide, or a conductive organic crystal.
  • the conductive fine particles may be formed of a plurality of materials.
  • the shape of the fine particles is not particularly limited, and may be, for example, a spherical shape, a rod shape, or a flake shape.
  • a preferred example of the conductive fine particles is gold fine particles. Gold fine particles and organic molecules with mercapto groups at the terminal (A) When (2) is used, the organic molecule (A) easily binds to the gold fine particles.
  • the average particle diameter of the conductive fine particles is preferably in the range of 10 nm to 100 nm, more preferably in the range of 10 nm to 30 nm. Fine particles having an average particle size of less than lOnm are not easily dispersed uniformly in a semiconductor layer that is not easy to manufacture. From the viewpoint of production, the main chain length of the organic molecule (A) is preferably about several tens of nm or less. For this reason, when using fine particles having an average particle size exceeding lOOnm, it is difficult to sufficiently disperse the distance between the fine particles, which may cause a short circuit or an increase in leakage current. By setting the average particle size of the fine particles in the range of 10 nm to 100 nm, a field effect transistor with stable electrical characteristics and high reliability can be obtained.
  • an atomic group having a width larger than the inner diameter of the cyclic molecule that includes the organic molecule ( ⁇ ) may be bonded. According to this configuration, it is possible to prevent the cyclic molecule from being detached from the organic molecule ( ⁇ ).
  • An example of such an atomic group is porphyrin.
  • the field effect transistor of the present invention includes electrodes (source electrode and drain electrode) in contact with the semiconductor layer, and the surface of the electrode and the surface of the fine particles are the same as the main component (content ratio: 50). (Mass% or more). And some organic molecules ( ⁇ ) may be chemically bonded to both the electrode surface and the fine particles. By forming the surface of the electrode and the surface of the fine particle with the same metal element, the organic molecule ( ⁇ ) can be chemically bonded to the electrode surface and the fine particle surface with a predetermined end group. According to this configuration, a field effect transistor having a low connection resistance between the source / drain electrodes and the semiconductor layer can be obtained.
  • the organic molecules ( ⁇ ) connects the two fine particles or the fine particles and the electrode.
  • the distance force between the source and drain electrodes is usually 50 times or more (for example, in the range of 100 to 10,000 times) the average main chain length of the organic molecule ( ⁇ ). According to such a configuration, even when the distance between the source and the drain is a distance (submicron to several tens of microns) that can be realized by using general-purpose lithography technology or printing technology, a field effect transistor with high mobility can be obtained. Can be easily manufactured. [0031] [Electronic equipment]
  • the electronic device of the present invention is an electronic device including at least one field effect transistor.
  • the field effect transistor is the field effect transistor of the present invention. Since the field effect transistor of the present invention has been described above, the description thereof is omitted.
  • the electronic device of the present invention may be an active matrix display, and a field effect transistor element may be used as a switching element.
  • the pixel is driven by the switching element. According to this configuration, a sheet-like or paper-like display with high characteristics at low cost can be realized.
  • the electronic device of the present invention may be a wireless ID tag.
  • the field effect transistor of the present invention is used, for example, as a part of a semiconductor element constituting an integrated circuit of a wireless ID tag. According to such a configuration, wireless ID tags that can be attached to objects and materials of various shapes can be obtained. In addition, according to this configuration, a wireless ID tag that can be formed into an arbitrary shape can be realized.
  • the electronic device of the present invention may be a portable device.
  • the field effect transistor of the present invention is used, for example, as a part of a semiconductor element constituting an integrated circuit of a portable device. According to such a configuration, it is possible to form a portable TV, a communication terminal, a PDA, a portable medical device, and other portable devices in any shape with low cost, flexibility, high impact resistance, and V. Can be added.
  • the method for producing a field effect transistor of the present invention is a method for producing a field effect transistor including a semiconductor layer containing a plurality of conductive fine particles. Part of this semiconductor layer functions as a channel region. According to this manufacturing method, the field effect transistor of the present invention can be manufactured.
  • an organic semiconductor molecule comprising a ⁇ -electron conjugated chain clathrated by a cyclic molecule and two end groups that are disposed at both ends of the ⁇ -electron conjugated chain and chemically bond to the fine particles (hereinafter referred to as "organic molecule ( ⁇ ) ”and may be available).
  • organic molecule ( ⁇ ) organic molecule
  • the terminal groups of the organic molecule (B) and the fine particles are chemically bonded by bringing the plurality of fine particles and the organic molecules (B) into contact with each other in a solvent (step (1)). .
  • the fine particles are connected by a ⁇ -electron conjugated chain, and a conductive path is formed.
  • the solvent is a dispersion medium of fine particles, a dispersion medium of organic molecules ( ⁇ ), a solvent in which the organic molecules ( ⁇ ) are dissolved, or a mixture thereof.
  • the solvent is selected according to the fine particles and organic molecules.
  • the first solvent in which the fine particles are dispersed is, for example, an aqueous solvent, a solvent solvent, or an alcohol solvent.
  • the second solvent in which the organic molecule (soot) is dissolved or dispersed is, for example, an aqueous solvent, a solvent solvent, or an alcohol solvent.
  • the solvent is removed (step (11)).
  • the semiconductor layer is formed by removing the solvent. Any method such as heat drying, drying under reduced pressure, or natural drying may be used without any particular limitation on the method for removing the solvent. However, it is preferable to perform the heating at a temperature at which the characteristics of the organic molecules do not deteriorate.
  • the step (I) includes a first liquid containing a plurality of fine particles and a first solvent, a second liquid containing an organic molecule ( ⁇ ) and a second solvent, By supplying to the region where the semiconductor layer is formed, thereby chemically bonding the terminal group of the organic molecule ( ⁇ ) and the fine particles.
  • the first liquid and the second liquid are separately supplied to a region where the semiconductor layer is formed, and a reaction occurs in the region.
  • the first solvent and the second solvent are removed.
  • the first liquid containing the fine particles and the first solvent may contain a surfactant or the like (the same applies to the following examples).
  • the first liquid containing the plurality of fine particles and the first solvent is supplied to the region where the semiconductor layer is formed, and then the first solvent is used.
  • the step of removing and forming the fine particle layer, and supplying the second liquid containing the organic molecule ( ⁇ ) and the second solvent onto the fine particle layer, the end groups of the organic molecule ( ⁇ ) and the fine particles are formed.
  • a step of merging In the second example, when the second liquid is supplied, the fine particles in the fine particle layer are dispersed in the second solvent, and the organic molecules (soot) and the fine particles react in the second solvent.
  • step (II) Remove the second solvent.
  • the second liquid containing the organic molecule (B) and the second solvent is supplied to the region where the semiconductor layer is formed, and then the second solvent is used. Removing the organic semiconductor molecular layer and supplying a first liquid containing a plurality of fine particles and a first solvent onto the organic semiconductor molecular layer; And a step of combining them with each other.
  • the organic molecules (B) in the organic semiconductor molecular layer are dispersed in the first solvent, and the organic molecules (B) and the fine particles are dispersed in the first solvent. Reacts.
  • the first solvent is removed in step (II).
  • a step of removing the first solvent after supplying the first liquid, and a step of removing the second solvent after supplying the second liquid; May be repeated several times alternately.
  • the product obtained by the step (I) is a gel.
  • the process
  • the method may further include the step of disposing the gel material in a region where the semiconductor layer is formed. In this case, the solvent in the gel is removed in the third step.
  • the field effect transistor of the present invention can be manufactured.
  • the fine particles, cyclic molecules and organic semiconductor molecules used in this production method, and their relationships are the same as those described for the field effect transistor of the present invention, and thus redundant description is omitted.
  • a part of the end group for example, hydrogen
  • the organic molecule (A) and the organic molecule (B) is slightly different from some of the end groups.
  • the two terminal groups of the organic molecule (B) are terminal groups that chemically bond to the fine particles.
  • SH mercapto group
  • OH OH
  • -NH OH
  • -SCH hydroxy-NH
  • -SCH is usually coordinated to the metal constituting the fine particles.
  • the surface of the fine particles is gold (A
  • the end group of the organic molecule (B) is preferably a mercapto group. Specific examples and production methods of the organic molecule (B) will be described later.
  • the main chain of the organic molecule (A) is included by the cyclic molecule, the linearity of the main chain can be maintained even when the main chain length becomes long. Therefore, short circuit In addition, it is possible to manufacture a stable field effect transistor having a high mobility with a small leakage current. In addition, according to this method, resistance to oxygen, water, and the like, which has been a problem in a semiconductor layer using organic semiconductor molecules, can be improved.
  • Embodiment 1 a specific example of a field effect transistor (thin film transistor: TFT) of the present invention will be described.
  • FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views schematically showing typical examples of the FET of the present invention.
  • the FET of the present invention has various configurations.
  • Each FET includes a substrate 11, a gate electrode 12, a gate insulating layer 13, a semiconductor layer 14, a source electrode 15, and a drain electrode 16.
  • the gate electrode 12 faces the semiconductor layer 14 with the gate insulating layer 13 interposed therebetween.
  • the ONZOF F state is controlled by the electric field applied to the semiconductor layer 14 by the gate electrode 12.
  • the semiconductor layer 14 is composed of the conductive fine particles described above and organic semiconductor molecules that are chemically bonded to the fine particles and are included by the cyclic molecules.
  • the FET of the present invention may have a structure as shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the source electrode 15 and the drain electrode 16 are opposed to each other with the semiconductor layer 14 interposed therebetween.
  • a gate electrode 12 is formed on one main surface of the substrate 11, and a gate insulating layer 13 is formed so as to cover the gate electrode 12.
  • the source electrode 15 and the drain electrode 16 are formed on the gate insulating layer 13 at a distance.
  • the semiconductor layer 14 having the above-described configuration is formed so as to cover the two electrodes and the gate insulating layer 13.
  • the gate electrode 12, the gate insulating layer 13, the two electrodes, and the semiconductor layer 14 are stacked on the substrate 11.
  • FETlOOd shown in FIG. 1D will be described as an example.
  • the source electrode 15 and the drain electrode 16 are formed on a principal surface of the substrate 11 at a certain distance. It is.
  • the semiconductor layer 14 is formed so as to cover the two electrodes and the substrate 11.
  • the gate insulating layer 13 is formed on the semiconductor layer 14.
  • the gate electrode 12 is formed on the gate insulating layer 13 at a position corresponding to at least a region between the source electrode 15 and the drain electrode 16.
  • FET10Od two electrodes, a semiconductor layer 14, a gate insulating layer 13, and a gate electrode 12 are stacked on a substrate 11.
  • Example 1 an example of manufacturing the FET10b shown in FIG. 1B will be described.
  • a film of polyethylene terephthalate (hereinafter sometimes referred to as “PET”) was used as the substrate 11.
  • the gate electrode 12 was made of Ni
  • the source electrode 15 and the drain electrode 16 were made of Au.
  • the gate insulating layer 13 was made of polybulal alcohol.
  • materials constituting the semiconductor layer 14 Au fine particles were used as fine particles, polythiophene derivatives were used as organic semiconductor molecules, and cyclodextrins were used as cyclic molecules.
  • the average main chain length of organic semiconductor molecules and the average particle diameter of Au fine particles will be described later.
  • the average main chain length of organic semiconductor molecules was adjusted by changing the mixing ratio of the molecules used as the material.
  • the average particle size of the Au fine particles was adjusted by filtering commercially available Au fine particles having a predetermined average particle size to remove fine particles having a predetermined diameter or larger.
  • Fig. 3A shows the structure of cyclodextrin used as a cyclic molecule.
  • the cyclodextrin represented by the general formula in FIG. 3A is a cyclic oligomer of glucose, and the size of the cyclic structure changes depending on the number of glucose.
  • cyclodextrin may be shown schematically as shown in Fig. 3 (b).
  • Example 1 The state of the organic molecule ( ⁇ ) in Example 1 is shown in Fig. 4 ⁇ .
  • a part of the repeated portion is covered with cyclodextrin.
  • the direction in which cyclodextrin is arranged is not limited to the direction shown in the figure (the same applies to other figures).
  • the organic molecule (B) before binding to the fine particles is the molecule in Figure 4B.
  • the state of the semiconductor layer 14 in the vicinity of the source electrode is schematically shown in FIG.
  • organic molecules 53 included by cyclodextrin are bonded to Au fine particles 52 via terminal sulfur atoms.
  • a net-like network is formed by combining the two ends of the organic molecule 53 with different Au fine particles 52.
  • a force schematically showing a two-dimensional network is formed in three dimensions.
  • the organic molecule 53 is also chemically bonded to the source electrode 51 made of Au.
  • a method for producing FETlOOb in Example 1 will be described below.
  • a Ni electrode (thickness lOOnm) having a predetermined shape was formed as a gate electrode 12 on a PET substrate (thickness 100 m) by vapor deposition using a mask.
  • an aqueous solution of polyvinyl alcohol was applied by a spin coating method and then dried to form a gate insulating layer 13 (thickness 500 nm).
  • a source electrode 15 and a drain electrode 16 having a predetermined shape were formed on the gate insulating layer 13 by vapor deposition using a mask.
  • the source and drain electrodes (thickness lOOnm) made of Au were formed so that the channel length was 50 / z m and the channel width was 500 ⁇ m.
  • an aqueous dispersion of Au fine particles and an aqueous solution of organic molecules in FIG. 4B were sequentially applied to the region where the semiconductor layer 14 should be formed.
  • the solvent water was evaporated by heating to 105 ° C. to form the semiconductor layer 14 (thickness 500 nm).
  • FETlOOb was produced.
  • a comparative FET was prepared in the same manner as described above except that it was included in cyclodextrin! /, Na! / ⁇ as shown in FIG. 4B as an organic molecule (A).
  • A organic molecule
  • multiple types of FETs were produced by changing the particle diameter of Au fine particles and the average main chain length of organic semiconductor molecules. However, the thickness of the semiconductor layer is the same for all FETs.
  • the carrier mobility and the ON / OFF ratio of the current between the source and the drain were evaluated.
  • the ONZOFF ratio is the ratio of Ids when Vgs is + 20V of the threshold voltage and Ids when Vgs is 20V of the threshold voltage.
  • Tables 1 and 2 show the evaluation results of the relationship between the average particle size of the fine particles constituting the semiconductor layer and the average main chain length of the organic semiconductor molecules (chain molecules), the carrier mobility, and the ON ZOFF ratio. Table 1 shows the results of the FET of the present invention, and Table 2 shows the results of the comparative FET.
  • the “one” mark indicates that the FET characteristics were not obtained due to a short circuit between the source and drain.
  • the FET of the comparative example when the average particle size of the fine particles was 30 nm or more, the source and drain were short-circuited, and the FET characteristics were not obtained. Even when FET characteristics were obtained, the comparative example FET had a low ONZOFF ratio of the current between the source and drain of 600 or less. Further, the FET of the comparative example has a lower carrier mobility than the FET of the present invention.
  • the FET of the present invention FET characteristics could be obtained by using organic semiconductor molecules having an average main chain length of 30 nm even if the average particle size of the fine particles was lOOnm.
  • the organic semiconductor molecules used in Example 1 it is not easy to synthesize long-chain molecules with an average main chain length exceeding 30 nm. There are many.
  • the average main chain length of the organic semiconductor molecules is preferably about 30 nm or less. Therefore, when the organic semiconductor molecule of Example 1 is used, it is not easy to obtain FET characteristics when the average particle size of the fine particles exceeds lOOnm.
  • the ON / OFF ratio was not less than 10000.
  • the carrier mobility and the ONZOFF ratio are in a trade-off relationship, it is preferable to optimize according to the application to be applied.
  • the carrier mobility obtained with the FET of the present invention sufficiently exceeds the carrier mobility obtained with a general organic FET formed by a coating process.
  • Example 2 an example of manufacturing the FET10d shown in FIG. 1D will be described.
  • the material of each component of the FET was the same as that used in Example 1.
  • the average particle size of the Au fine particles was about 20 nm, and the average main chain length of the organic semiconductor molecules was about 30 nm.
  • a source electrode 15 and a drain electrode 16 having a predetermined shape were formed on a PET substrate (thickness: 100 m) by vapor deposition using a mask. Specifically, a source / drain electrode (thickness lOOnm) having Au force was formed so that the channel length was 50 m and the channel width was 500 ⁇ m.
  • an aqueous dispersion of Au fine particles was applied to the region where the semiconductor layer 14 was to be formed, and the solvent was evaporated by heating at 105 ° C to form a layer of Au fine particles.
  • an aqueous solution of the molecule shown in FIG. 4B was applied on the Au fine particle layer, and the Au fine particle and the organic molecule shown in FIG. 4B were combined.
  • the semiconductor layer 14 (thickness 500 nm) was formed by heating again at 105 ° C. to evaporate the solvent.
  • aqueous solution of polyvinyl alcohol was applied by spin coating and then dried to form a gate insulating layer 13 (thickness 500 nm).
  • a Ni electrode was formed as the gate electrode 12 by vapor deposition using a mask. In this way, FETlOOb was produced.
  • Example 2 In the same manner as in Example 1, the carrier mobility and the ONZOFF ratio were evaluated. As a result, the carrier mobility was 1.7 cm 2 ZVs, and the ONZOFF ratio was 3 ⁇ 10 5 .
  • Example 3 an example of manufacturing the FETlOOe of FIG. 2A will be described.
  • the material of each component of the FET was the same as that used in Example 1.
  • the average particle diameter of Au fine particles was about 20 nm, and the average main chain length of chain molecules was about 30 nm.
  • a method for producing FETlOOe in Example 3 will be described. First, a Ni electrode (thickness lOOnm) having a predetermined shape was formed as a gate electrode 12 on a PET substrate (thickness 100 m) by vapor deposition using a mask.
  • aqueous solution of polyvinyl alcohol was applied by a spin coating method and then dried to form a gate insulating layer 13 (thickness 500 nm). Subsequently, a source electrode 15 having a predetermined shape was formed on the gate insulating layer 13 by vapor deposition using a mask.
  • a drain electrode 16 (thickness lOOnm) made of Au was formed by vapor deposition using a mask.
  • the drain electrode 16 was formed so that the channel width was 100 / zm.
  • the thickness (500 nm) of the semiconductor layer 14 is the channel length. In this way, FETlOOe was produced.
  • Example 2 As in Example 1, the carrier mobility and the ONZOFF ratio were evaluated, and as a result, the carrier mobility was 1.4 cm 2 ZVs and the ON / OFF ratio was 2 ⁇ 10 4 . However, since the FET of Example 3 has a shorter channel length than the FETs of Examples 1 and 2, measurement was performed with Vds fixed at 3V.
  • organic semiconductor molecules having a substantially constant main chain length are used in the above examples, a plurality of types of organic semiconductor molecules having different main chain lengths may be used at an appropriate mixing ratio.
  • organic semiconductor molecules 63 having a predetermined main chain length may be mainly used, and organic semiconductor molecules 64 having a longer main chain length may be mixed.
  • the chain length to be mixed is not limited, but the chain length of the main organic semiconductor molecule is preferably the shortest of them. In such a case, a network containing fine particles is formed by the main organic semiconductor molecules, and the organic semiconductor molecules are used to fill the gap between them.
  • the organic semiconductor molecule shown in Fig. 4B is used has been described, but the organic semiconductor molecule that can be used in the present invention is not limited thereto.
  • the compound shown in FIG. 7A or the compound shown in FIG. 7B may be used.
  • An example of a method for synthesizing these compounds will be described later.
  • the cyclic molecule only needs to cover a part of the organic semiconductor molecule as shown in FIGS. 7A and 7B as long as the linearity of the organic semiconductor molecule can be maintained to some extent. However, in order to improve the linearity of the organic semiconductor molecule, it is preferable that 30% or more of the main chain length of the ⁇ -electron conjugated chain is covered with a cyclic molecule.
  • organic molecules ( ⁇ ) and ( ⁇ ⁇ ) conjuggated ⁇ -electron molecules
  • derivatives of acetylene molecules such as polyacetylene and polyphenylacetylene
  • condensed ring aromatic hydrocarbons and derivatives thereof for example, derivatives of acene series molecules such as tetracene and hexacene, and derivatives of phen series molecules such as phenanthrene and thalicene may be used.
  • derivatives of pyrrole molecules such as polypyrrole and polyalkylpyrrole, oligophenols, polyphenylenes and! /, And derivatives of thiophene molecules may be used.
  • a derivative of a copolymer obtained by combining these molecules with each other or a vinyl group or a ether group may be used. Further, a part of the side chain may be introduced to the main chain of the molecule as described above.
  • the terminal form is limited to this.
  • a bulky molecule such as a porphyrin derivative may be interposed.
  • force using Au fine particles as fine particles is not limited to this.
  • fine particles such as Ag, Cu and Pt instead of Au fine particles.
  • Preferred combinations (metal Z end groups) of the metal and end groups constituting the surface of the fine particles include, for example, AuZ—SH, PtZ—SH, and CaZ—OH.
  • those that are classified in the same genus of the periodic table show properties recently, so that, for example, a sulfur atom can be replaced with Se or Te.
  • Embodiment 2 In Embodiment 2, an active matrix display, a wireless ID tag, and a portable device will be described as examples of the device including the FET of the present invention described in Embodiment 1.
  • Fig. 9 shows a partially exploded perspective view schematically showing the configuration of the display.
  • the display shown in FIG. 9 includes drive circuits 90 arranged in an array on a plastic substrate 91.
  • the drive circuit 90 includes the FET of the present invention and is connected to the pixel electrode.
  • On the drive circuit 90 an organic EL layer 92, a transparent electrode 93, and a protective film 94 are disposed.
  • the organic EL layer 92 has a structure in which a plurality of layers such as an electron transport layer, a light emitting layer, and a hole transport layer are stacked.
  • the source electrode line 95 and the gate electrode line 96 connected to the electrodes of each FET are connected to a control circuit (not shown).
  • FIG. 10 shows an enlarged view of an example of the drive circuit 90 and its periphery.
  • the structure of the FET shown in Figure 10 is basically the same as that shown in Figure 1C. That is, in the FET shown in FIG. 10, the semiconductor layer 104, the source electrode 105 and the drain electrode 106, the gate insulating layer 103, and the gate electrode 102 are stacked on the substrate.
  • the drain electrode 106 is electrically connected to the pixel electrode 107 of the organic EL.
  • An insulating layer 108 is formed at a portion where the gate electrode line 96 connected to the gate electrode 102 and the source electrode line 95 connected to the source electrode 105 intersect.
  • the semiconductor layer 104 is a semiconductor layer as described in Embodiment 1.
  • the power described for the case where an organic EL is used for the display unit is not limited to this.
  • the present invention can be applied to other active matrix type displays having a circuit including FETs, and the same effect can be obtained.
  • the configuration of the drive circuit unit for driving the pixels is not limited to the configuration shown in this embodiment.
  • a current drive FET It may be configured to combine with a switching FET for this purpose.
  • a configuration in which a plurality of FETs are combined may be used.
  • the FET is not limited to the FET shown in this embodiment, and the same effect can be obtained by using another FET of the present invention.
  • FIG. 11 schematically shows a perspective view of an example of a wireless ID tag using the FET of the present invention.
  • illustration of wiring for connecting the antenna portion and the memory IC portion, a matching circuit, and the like is omitted.
  • the wireless ID tag 110 uses a film-like plastic substrate 111 as a substrate.
  • An antenna unit 112 and a memory IC unit 113 are provided on the substrate 111.
  • the memory IC unit 113 is configured using the FET of the present invention as described in the first embodiment.
  • the wireless ID tag 110 can be attached to a non-flat object such as a candy bag or a drink can by giving an adhesive effect to the back surface of the substrate. Note that a protective film is provided on the surface of the wireless ID tag 110 as necessary.
  • wireless ID tags having various shapes that can be attached to articles of various materials can be obtained. Further, by using the FET of the present invention having a high carrier mobility, a wireless ID tag having a high communication frequency and a high reaction speed (processing speed) can be obtained.
  • the wireless ID tag of the present invention is not limited to the wireless ID tag shown in FIG. Therefore, there is no limitation on the arrangement and configuration of the antenna unit and the memory IC unit. For example, you can incorporate an ethics circuit into a wireless ID tag!
  • the antenna unit 112 and the memory IC unit 113 are connected to a plastic substrate.
  • the force described for forming on 111 is not limited to this embodiment.
  • the antenna portion 112 and the memory IC portion 113 may be formed directly on the object using a method such as ink jet printing. Even in that case, by forming the FET of the present invention, a wireless ID tag including a FET with improved carrier mobility can be manufactured at low cost.
  • a portable device including an integrated circuit including the FET of the present invention will be described.
  • Various elements using the characteristics of semiconductors such as arithmetic elements, memory elements, and switching elements are used in integrated circuits of portable devices.
  • the FET of the present invention By using the FET of the present invention for at least some of these elements, mechanical flexibility, impact resistance, environmental resistance when discarded, light weight, safety It is possible to manufacture portable devices that have the advantages of organic materials.
  • FIGS. 1-10 As an example of the electronic device of the present invention, three portable devices are shown in FIGS.
  • a portable television 120 shown in FIG. 12 includes a display device 121, a receiving device 122, a side switch 123, a front switch 124, an audio output unit 125, an input / output device 126, and a recording media insertion unit 127.
  • the integrated circuit including the FET of the present invention is used as a circuit including elements such as an arithmetic element, a memory element, and a switching element constituting the portable television 120.
  • a communication terminal 130 shown in FIG. 13 includes a display device 131, a transmission / reception device 132, an audio output unit 133, a camera unit 134, a folding movable unit 135, an operation switch 136, and an audio input unit 137.
  • the integrated circuit including the FET of the present invention is used as a circuit including elements such as an arithmetic element, a memory element, and a switching element constituting the communication terminal 130.
  • the portable medical device 140 shown in FIG. 14 includes a display device 141, an operation switch 142, a medical treatment unit 143, and a percutaneous contact unit 144.
  • the portable medical device 140 is carried around the arm 145, for example.
  • the medical treatment unit 143 is a part that processes the biological information obtained from the transcutaneous contact unit 144 and performs medical treatment such as drug administration through the transcutaneous contact unit 144 accordingly.
  • An integrated circuit including the FET of the present invention is used as a circuit including elements such as an arithmetic element, a memory element, and a switching element that constitute the portable medical device 140.
  • the configuration of the portable device to which the FET of the present invention is applied has been described by way of example.
  • the present invention is not limited to these configurations.
  • portable devices to which the FET of the present invention can be applied are not limited to the exemplified devices.
  • the FET of the present invention has characteristics such as PDA terminals, wearable AV devices, portable computers, wristwatch type communication devices, etc., such as mechanical flexibility, impact resistance, environment resistance when throwing away, light weight, and low cost. It can be suitably applied to required equipment.
  • FIG. 15A schematically shows a cross section of a part of the semiconductor layer 151 constituting the FET.
  • the fine particles 152 and the organic semiconductor material 153 are distinguished and recognized by the difference in color tone (or the difference in shading).
  • the fine particles 152 can be recognized as a black body.
  • the organic semiconductor material 153 can be recognized as a white body.
  • the color and tone of each part vary depending on the observation method, the color and Z or tone differ between the fine particles 152 and the organic semiconductor material 153. Therefore, it is possible to distinguish between the fine particles 152 and the organic semiconductor material 153 by subjecting the photographed image to image processing and binarization.
  • the area of each fine particle 152 is calculated. Using this area, the particle diameter of each fine particle 152 is calculated assuming that the cross section of the fine particle 152 is a perfect circle.
  • the average particle size was calculated by observing a TEM photograph of the cross section of the semiconductor layer. An example of the particle size distribution is shown in Fig. 15B.
  • the “average particle size” is a value obtained by calculating the particle size of 100 or more particles by the above method and averaging the particle sizes.
  • compound (6) is synthesized under the reaction conditions shown in FIG. 16, using compounds (1) and (2) shown in FIG. 16 as starting materials. Further, compound (8) is synthesized using starting compound (7) shown in FIG. Next, the compound (11) is synthesized using the compound (10) shown in FIG. 17, the compounds (6) and (8) shown in FIG. 16, and a plurality of ⁇ -cyclodextrins. .
  • the compound (11) is purified with a large amount of water and then treated with an acid, the lithium atom is replaced with a hydrogen atom. In this way, the compound shown in Fig. 4 (b) can be synthesized.
  • the compound (25) is synthesized under the reaction conditions shown in FIG. 18 using the compound (21) shown in FIG. 18 as a starting material.
  • the compound (26) is reacted under the reaction conditions shown in FIG. Synthesize.
  • the compound (26) is purified with a large amount of water and then treated with an acid, the lithium atom is replaced with a hydrogen atom. It is.
  • the compound in Figure 7A can be synthesized.
  • FIG. 7B An example of a method for synthesizing the compound shown in FIG. 7B is shown below.
  • 8-cyclodextrin are used as starting materials to synthesize compound (32).
  • the compound (32) is purified with a large amount of water and then treated with an acid, the lithium atom is replaced with a hydrogen atom. In this way, the compound of FIG. 7B can be synthesized.
  • FIG. 20A, FIG. 20B, and FIG. 20A Note that as organic semiconductor molecules bonded to the conductive fine particles, FIG. 20A, FIG. 20B, and FIG.
  • the present invention can be applied to a field effect transistor including a semiconductor layer containing organic semiconductor molecules, and a method for manufacturing the field effect transistor.
  • the present invention can be applied to various electronic devices including such a field effect transistor.

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Abstract

　本発明の電界効果トランジスタは、チャネル領域として機能する部分を含む半導体層１４を備える。半導体層１４は、半導体層１４内に分散された複数の導電性の微粒子５２と、微粒子５２に化学結合して微粒子５２間を連結する有機半導体分子５３と、環状分子とを構成要素として含む。有機半導体分子５３はπ電子共役鎖を主鎖として含み、そのπ電子共役鎖が環状分子によって包接されている。

Description

明 細 書
電界効果トランジスタおよびその製造方法、ならびにそれを用いた電子機 技術分野
[0001] 本発明は、有機分子を含有する半導体層を備える電界効果トランジスタおよびその 製造方法、ならびにそれを用いた電子機器に関する。
背景技術
[0002] 有機材料には、炭素の骨格をベースとする様々な化合物が存在する。中でも導電 性を有する有機分子は、その分子構造に由来する多様な電気特性を発現することが 確認されており、薄膜トランジスタ、センサ、有機 LED、コンデンサ、電池、生体機能 デバイス、レーザなど、様々な有機電子デバイスへの応用が提案されている。
[0003] 薄膜トランジスタ（以下、 TFTと ヽぅ場合がある）は、現在、アクティブマトリクス型の 液晶ディスプレイ等における駆動素子として期待されている。 TFTは、通常、ァモル ファスシリコンや低温ポリシリコンと 、つた無機半導体材料で形成されて 、る。 TFTの 半導体層を有機分子で形成することによって、低コストィ匕ゃ大面積ィ匕が可能となる。
[0004] し力しながら、現在報告されて 、る有機半導体は、無機半導体に比べてキャリア移 動度が低ぐそれを用いた素子は駆動電圧が高いなどの問題がある。そのため、有 機半導体のキャリア移動度の向上や、有機半導体を用いた素子の駆動電圧の低減 につ 、ての研究がされて!/、る。
[0005] 有機半導体分子を用いた電界効果トランジスタ（以下、「FET」 、う場合がある）で は、ほとんどの場合、有機半導体分子本来の特性から期待されるデバイス特性が十 分には得られない。その要因の 1つとして、有機半導体分子内の電荷の移動は非常 に速いが、有機半導体分子と有機半導体分子との間の電荷の移動はそれに比べて 遅いため、半導体層全体としては後者の電荷移動速度に制限された特性しか得られ ないことが挙げられる。これを改善する手段の 1つとして、導体または半導体力 なる 微粒子と、それに結合した有機半導体分子とによって導電路が形成された半導体層 が開示されて 、る（特開 2004— 88090号公報)。 [0006] また、導電性有機分子として π共役系高分子を用いた電子デバイスでは、酸素や 水の影響を受けやすく、デバイス特性を維持するためには別途封止構造を用いるな どの必要があった。これを改善する方法の 1つとして、導電性高分子をシクロデキスト リンなどの絶縁性の環状分子で包接して、デバイスの信頼性を向上させる方法が開 示されている。（特開 2003— 298067号公報）。
[0007] 特開 2004— 88090号公報に記載の手段では、微粒子としては導体と半導体のい ずれを選択してもよ!ヽ。有機材料だけで半導体物性を発現させる方が単純なデバイ ス特性が得られやす 、ので、導体力もなる微粒子を用いる方がデバイス設計上好ま しい。しカゝしながら、微粒子として導体を用いた場合、微粒子の粒径に対して有機半 導体分子の鎖長が短いと、導体である微粒子同士の接触や微粒子間における電荷 のホッピングが生じる。その結果、短絡や漏れ電流の増大といった問題が発生する場 合があった。このような問題を解決するために有機半導体分子の鎖長を長くすると、 分子の直線性が悪くなつて有機半導体分子同士で絡まったり、分子の両端が同一の 微粒子に結合してしまったりして、所望の特性が得られないという問題があった。 発明の開示
[0008] このような状況を考慮し、本発明は、有機分子を含み高速のキャリア移動を可能と する半導体層を有する電界効果トランジスタおよびその製造方法、ならびにそれを用 いた各種の電子機器を提供することを目的の 1つとする。
[0009] 上記目的を達成するため、本発明の電界効果トランジスタは、チャネル領域として 機能する部分を含む半導体層を備える電界効果トランジスタであって、前記半導体 層が、前記半導体層内に分散された複数の導電性の微粒子と、前記微粒子に化学 結合して前記微粒子間を連結する有機半導体分子と、環状分子とを構成要素として 含み、前記有機半導体分子は π電子共役鎖を主鎖として含み、前記 π電子共役鎖 が前記環状分子によって包接されて 、る。
[0010] また、本発明の電子機器は、少なくとも 1つの電界効果トランジスタを含む電子機器 であって、前記電界効果トランジスタが、チャネル領域として機能する部分を含む半 導体層を備え、前記半導体層が、前記半導体層内に分散された複数の導電性の微 粒子と、前記微粒子に化学結合して前記微粒子間を連結する有機半導体分子と、 環状分子とを構成要素として含み、前記有機半導体分子は π電子共役鎖を主鎖とし て含み、前記 π電子共役鎖が前記環状分子によって包接されている電子機器。
[0011] また、本発明の製造方法は、複数の導電性の微粒子を含む半導体層を備える電界 効果トランジスタの製造方法であって、（I)複数の前記微粒子と、環状分子によって 包接された π電子共役鎖と前記 π電子共役鎖の両末端に配置され前記微粒子と化 学結合する 2つの末端基とを備える有機半導体分子とを、溶媒中で接触させること〖こ よって、前記有機半導体分子の前記末端基と前記微粒子とをィ匕学結合させる工程と 、（II)前記溶媒を除去する工程と、を含む。なお、この明細書において、「溶媒」とは 分散媒を含む意味である。
[0012] 本発明の電界効果トランジスタでは、導電性を有する微粒子同士が、 π電子共役 鎖によって連結されている。この π電子共役鎖は環状化合物で包接されているため 、主鎖長が長くなつた場合でも比較的高い直線性が保たれる。そのため、本発明に よれば、短絡や漏れ電流が少なぐキャリア移動度が高ぐ安定な電界効果トランジス タが得られる。また、本発明によれば、有機半導体分子を用いる半導体層において 課題であった、酸素や水などに対する耐性も向上させることができる。
[0013] また、本発明の電子機器は、本発明の電界効果トランジスタを用いているため、プ ラスティック基板などの可撓性基板上に低温でトランジスタを形成できる。そのため、 本発明によれば、可撓性や軽量と！/ヽつた特性を電子機器に付与できる。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]図 1A〜図 1Dは、本発明の FETの例を模式的に示す断面図である。
[図 2]図 2Αおよび図 2Βは、本発明の FETの他の例を模式的に示す断面図である。
[図 3]図 3Αは、シクロデキストリンの化学式である。図 3Βは、シクロデキストリンの形状 を模式的に示す斜視図である。
[図 4]図 4Αは、本発明で用いられる有機半導体分子の一例について半導体層中の 状態を示す模式図である。図 4Βは、金の微粒子に結合する前の図 4Αの分子を示 す。
[図 5]図 5は、本発明の FETに関してソース電極近傍の半導体層の状態を示す模式 図である。 [図 6]図 6は、本発明の FETの他の例に関してソース電極近傍の半導体層の状態を 示す模式図である。
[図 7]図 7Aおよび図 7Bは、それぞれ、本発明で用いられる有機半導体分子の他の 例を示す。
[図 8]図 8は、本発明で用いられる有機半導体分子の末端基の例を示す。
[図 9]図 9は、本発明のアクティブマトリクス型ディスプレイの一例を模式的に示す一 部分解斜視図である。
[図 10]図 10は、図 9のディスプレイの駆動回路およびその周辺の構成を模式的に示 す斜視図である。
[図 11]図 11は、無線 IDタグの一例の構成を模式的に示す斜視図である。
[図 12]図 12は、携帯テレビの一例の構成を模式的に示す斜視図である。
[図 13]図 13は、通信端末の一例の構成を模式的に示す斜視図である。
[図 14]図 14は、携帯用医療機器の一例を模式的に示す斜視図である。
[図 15]図 15Aは、半導体層の断面の一例を示す。図 15Bは、半導体層中の導電性 微粒子の粒径分布の一例を示す。
[図 16]図 16は、図 4Bの化合物の合成工程の一例を示す図である。
[図 17]図 17は、図 16に示した工程の続きの工程を示す図である。
[図 18]図 18は、図 7Aの化合物の合成工程の一例を示す図である。
[図 19]図 19は、図 7Bの化合物の合成工程の一例を示す図である。
[図 20]図 20A、図 20Bおよび図 20Cは、それぞれ、本発明で用いられる有機半導体 分子の一例を示す。
発明を実施するための最良の形態
[0015] 以下、本発明の実施の形態について説明する。
[0016] [電界効果トランジスタ]
本発明の電界効果トランジスタは、チャネル領域として機能する部分を含む半導体 層を備える。その半導体層は、その半導体層内に分散された複数の導電性の微粒 子と、微粒子に化学結合して微粒子間を連結する有機半導体分子 (以下、「有機分 子 (A)」と 、う場合がある）と、環状分子とを構成要素として含む。有機分子 (A)は π 電子共役鎖を主鎖として含む。その π電子共役鎖は、環状分子によって包接されて V、る。半導体層中にお 、て、微粒子と有機分子 (Α)とは、網目状のネットワークを形 成する。半導体層以外の構成部分に特に限定はなぐ公知の構成および材料を適 用できる。
[0017] 上記半導体層は、電界の印加によって導電性が変化する層である。半導体層の厚 さに特に限定はなぐたとえば 30nm〜： mの範囲としてもよい。半導体層は、典型 的には、導電性の微粒子と有機半導体分子と環状分子とからなるが、本発明の効果 が得られる限り、他の物質を含んでもよい。ただし、導電性微粒子と有機半導体分子 と環状分子との合計は、通常、半導体層の 50質量％以上であり、たとえば 90質量％ 以上である。
[0018] 有機分子 (A)は、 π電子共役結合によって形成された分子鎖（ π電子共役鎖)を 主鎖とする分子であり、半導体性を示す。有機分子 (Α)の両端は、導電性の微粒子 に結合している。なお、一部の有機分子 (Α)の末端は、ソース電極またはドレイン電 極に結合して 、てもよ 、。有機分子 (Α)の主鎖（ π電子共役鎖）は、直線性が高 、こ とが好ましい。有機分子 (Α)の主鎖は、環状ィ匕合物によって包接可能な π電子共役 鎖である限り特に限定はなぐたとえば、芳香環、芳香族縮合多環、 CH = CH— 基などが、 1種または複数種連結された構造を有する。有機分子 (A)は一種類の有 機分子であってもよいし、複数種の有機分子であってもよい。有機分子 (A)の具体例 については、実施形態 1で説明する。
[0019] 有機分子 (A)の主鎖長、すなわち、主鎖を構成する π電子共役鎖の長さは、たと えば 5nm〜50nmの範囲であり、 10nm〜30nmの範囲であることが好ましい。有機 分子 (A)の主鎖長を 10nm〜30nmの範囲とすることによって、主鎖の直線性が保た れ、かつ主鎖内の π電子共役結合を利用した電荷の移動を充分に活用することが できる。
[0020] ここで、有機分子 (Α)の主鎖長とは、主鎖を構成する π電子共役鎖の直線性が最 も高くなつたと仮定した時の分子構造より計算される主鎖の両端間の直線距離をいう
[0021] 有機分子 (Α)の平均主鎖長は、上記微粒子の平均粒径以上であることが好ま ヽ 。この構成によれば、微粒子同士の距離が微粒子の平均粒径程度以上となるため、 短絡や漏れ電流の増大を抑制することができ、信頼性が高!、電界効果トランジスタが 得られる。有機分子 (A)の平均主鎖長は、微粒子の平均粒径の 1倍〜 3倍の範囲に あることがより好ましい。
[0022] 微粒子の「平均粒径」の求め方については、後述する。また、この明細書において 、有機分子 (A)の「平均主鎖長」とは、鎖長が異なる複数種の有機分子 (A)のうち最 も含有率が高い有機分子 (A)の主鎖長を意味する。有機分子 (A)の主鎖は、通常、 所定の構造単位の繰り返しによって構成される。そして、その繰り返し回数は、 1つの 値を中心として分布する。このとき、最も割合が高い繰り返し回数の主鎖の長さが、「 平均主鎖長」となる。
[0023] 有機分子 (A)は、主鎖長が異なる複数種の分子を含んでもよ!、。この構成によれ ば、主鎖長が統一された有機半導体分子を用いる場合に比べて、微粒子間を連結 する有機半導体分子の数が増えるため、半導体層に流せる電流量を増加できる。
[0024] 上記環状分子は、有機分子 (A)の主鎖を包接してその主鎖の直線性を高めるもの であればよい。環状分子としては、たとえば、シクロデキストリン、シクロデキストリン誘 導体や、これらを架橋させてチューブ状にしたものなどを用いることができる。シクロ デキストリンは短いチューブ状の形状を有しており、好ましく用いられる。環状分子の 具体例については、実施形態 1でも説明する。
[0025] 環状分子で包接された有機分子 (A)は、公知の方法で合成できる。鈴木カップリン グ反応を用いた合成方法の一例が、アンダーソンらによって開示されている（ハリー' エル'アンダーソンら（Harry L. Anderson et al.)、インシュレーテッド'モレキュラ^ ~ ·ヮ ィフ ~~ズ (Insulated Molecular Wires)、 Angewandte Chemie, International Edition ^ 2 000年、 39、 No. 19、 p. 3456〜3460)。
[0026] 導電性の微粒子は、少なくとも表面が導電性の材料 (導体)からなり、たとえば、金 属、導電性の金属酸化物、または導電性の有機物の結晶で形成できる。導電性の微 粒子は、複数の材料で形成されていてもよい。また、微粒子の形状に特に限定はなく 、たとえば、球状、棒状または燐片状であってもよい。導電性の微粒子の好ましい一 例は、金の微粒子である。金の微粒子と、端末にメルカプト基を有する有機分子 (A) とを用いた場合、有機分子 (A)は容易に金の微粒子に結合する。
[0027] 導電性の微粒子の平均粒径は、 10nm〜100nmの範囲にあることが好ましぐ 10 nm〜30nmの範囲にあることがより好ましい。平均粒径が lOnm未満の微粒子は、 製造が容易ではなぐ半導体層中に均一に分散させることも容易ではない。また、製 造上の観点から、有機分子 (A)の主鎖長は数十 nm程度以下であることが好ましい。 そのため、平均粒径が lOOnmを超える微粒子を用いた場合、微粒子同士の距離を 十分にとって分散させることが難しくなり、短絡や漏れ電流の増大を引き起こす場合 がある。微粒子の平均粒径を 10nm〜100nmの範囲にすることによって、電気的特 性が安定しており信頼性が高い電界効果トランジスタが得られる。
[0028] 有機分子 (A)の π電子共役鎖の末端には、有機分子 (Α)を包接する環状分子の 内径よりも幅が大きい原子団が結合していてもよい。この構成によれば、有機分子 (Α )から環状分子が脱離することを防止できる。そのような原子団としては、たとえばポ ルフィリンが挙げられる。
[0029] 本発明の電界効果トランジスタは、半導体層に接触する電極 (ソース電極およびド レイン電極)を含み、その電極の表面と微粒子の表面とが同じ金属元素を主成分 (含 有率： 50質量％以上）としてもよい。そして、一部の有機分子 (Α)が、電極の表面と 微粒子との両方に化学結合して 、てもよ 、。電極の表面と微粒子の表面とを同じ金 属元素で形成することによって、所定の末端基で有機分子 (Α)を電極表面と微粒子 表面とに化学結合させることができる。この構成によれば、ソース'ドレイン電極と半導 体層との接続抵抗が低い電界効果トランジスタが得られる。たとえば、導電性微粒子 として金の微粒子を用い、ソース'ドレイン電極として金の膜を用い、有機分子 (Α)と して、両端にメルカプト基を有する有機分子を用いる。この場合、有機分子 (Α)は、 2 つの微粒子間、または微粒子と電極との間を連結する。
[0030] 本発明の電界効果トランジスタでは、通常、ソース ドレイン電極間の距離力 有機 分子 (Α)の平均主鎖長の 50倍以上（たとえば 100倍〜 10000倍の範囲）である。こ のような構成によれば、ソース ドレイン間の距離を汎用的なリソグラフィ技術や印刷 技術を用いて実現可能な距離 (サブミクロン〜数十ミクロン)とした場合でも、高移動 度の電界効果トランジスタを容易に製造できる。 [0031] [電子機器]
本発明の電子機器は、少なくとも 1つの電界効果トランジスタを含む電子機器であ る。その電界効果トランジスタは、上記本発明の電界効果トランジスタである。本発明 の電界効果トランジスタについては上述したため、説明を省略する。
[0032] 本発明の電子機器は、アクティブマトリクス型ディスプレイであってもよぐ電界効果 トランジスタ素子がスイッチング素子として用いられて 、てもよ 、。スイッチング素子に よって画素の駆動が行われる。この構成によれば、低コストで特性の高いシートライク 、或 、はペーパーライクなディスプレイを実現できる。
[0033] 本発明の電子機器は、無線 IDタグであってもよい。本発明の電界効果トランジスタ は、たとえば、無線 IDタグの集積回路を構成する半導体素子の一部として利用され る。このような構成によれば、様々な形状の物体や素材に貼り付けることが可能な無 線 IDタグが得られる。また、この構成によれば、任意の形状に形成可能な無線 IDタ グを実現できる。
[0034] 本発明の電子機器は、携帯用機器であってもよい。本発明の電界効果トランジスタ は、たとえば、携帯用機器の集積回路を構成する半導体素子の一部として利用され る。このような構成によれば、携帯テレビ、通信端末、 PDA,携帯用医療機器などの 携帯用機器に、低コスト、フレキシブル、耐衝撃性が高い、任意の形状に形成可能と V、つた利点を付加することができる。
[0035] [電界効果トランジスタの製造方法]
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、複数の導電性の微粒子を含む半導 体層を備える電界効果トランジスタの製造方法である。この半導体層の一部はチヤネ ル領域として機能する。この製造方法によれば、本発明の電界効果トランジスタを製 造できる。
[0036] 本発明の製造方法において、半導体層を形成する方法について以下に説明する。
なお、半導体層以外の部分の形成方法に限定はなぐ公知の方法を適用できる。
[0037] まず、環状分子によって包接された π電子共役鎖と当該 π電子共役鎖の両末端に 配置され当該微粒子と化学結合する 2つの末端基とを備える有機半導体分子 (以下 「有機分子 (Β)」と 、う場合がある)を用意する。 [0038] 次に、複数の上記微粒子と有機分子 (B)とを溶媒中で接触させることによって、有 機分子 (B)の末端基と微粒子とをィ匕学結合させる（工程 (1) )。この工程によって、微 粒子同士が π電子共役鎖によって連結され、導電路が形成される。また、微粒子に 結合した有機分子 (Β)は、上記有機分子 (Α)に相当する。有機分子 (Α)および (Β) の具体例については、実施形態 1で説明する。微粒子については上述したため、重 複する説明を省略する。溶媒は、微粒子の分散媒、有機分子 (Β)の分散媒、有機分 子 (Β)が溶解する溶媒、またはそれらの混合物である。溶媒は、微粒子および有機 分子 ）に応じて選択される。微粒子が分散される第 1の溶媒は、たとえば、水系、 溶剤系、アルコール系の溶媒である。また、有機分子 (Β)が溶解または分散される第 2の溶媒は、たとえば、水系、溶剤系、アルコール系の溶媒である。
[0039] 次に、上記溶媒を除去する（工程 (11) )。溶媒の除去によって半導体層が形成され る。溶媒の除去の方法に特に限定はなぐ加熱乾燥、減圧乾燥、自然乾燥など、い ずれの方法でもよい。ただし、加熱は、有機分子の特性が低下しない温度で行うこと が好ましい。
[0040] 以下、工程 (I)の 4つの例について説明する。
[0041] 第 1の例では、工程 (I)は、複数の微粒子と第 1の溶媒とを含む第 1の液体と、有機 分子 (Β)と第 2の溶媒とを含む第 2の液体とを半導体層が形成される領域に供給する こと〖こよって、有機分子 (Β)の末端基と微粒子とをィ匕学結合させる工程を含む。第 1 の例では、半導体層が形成される領域に、第 1の液体と第 2の液体とが別々に供給さ れ、当該領域で反応が生じる。この場合、工程 (Π)では、第 1の溶媒と第 2の溶媒とが 除去される。なお、微粒子と第 1の溶媒とを含む第 1の液体は、界面活性剤などを含 んでもよい（以下の例でも同様である）。
[0042] 第 2の例では、工程 (I)は、複数の微粒子と第 1の溶媒とを含む第 1の液体を半導 体層が形成される領域に供給したのち、第 1の溶媒を除去して微粒子層を形成する 工程と、有機分子 (Β)と第 2の溶媒とを含む第 2の液体を微粒子層上に供給すること によって有機分子 (Β)の末端基と微粒子とをィ匕学結合させる工程とを含む。第 2の例 では、第 2の液体を供給した際に、微粒子層の微粒子が第 2の溶媒中に分散し、第 2 の溶媒中で有機分子 (Β)と微粒子とが反応する。第 2の例では、工程 (II)において、 第 2の溶媒を除去する。
[0043] 第 3の例では、工程 (I)は、有機分子 (B)と第 2の溶媒とを含む第 2の液体を半導体 層が形成される領域に供給したのち、第 2の溶媒を除去して有機半導体分子層を形 成する工程と、複数の微粒子と第 1の溶媒とを含む第 1の液体を有機半導体分子層 上に供給することによって有機分子 (B)の末端基と微粒子とをィ匕学結合させる工程と を含む。第 3の例では、第 1の液体を供給した際に、有機半導体分子層の有機分子（ B)が第 1の溶媒中に分散し、第 1の溶媒中で有機分子 (B)と微粒子とが反応する。 第 3の例では、工程 (II)において、第 1の溶媒を除去する。
[0044] なお、上記第 2または第 3の例において、第 1の液体を供給したのち第 1の溶媒を 除去する工程と、第 2の液体を供給したのち第 2の溶媒を除去する工程とを交互に複 数回繰り返してもよい。
[0045] 第 4の例では、工程 (I)によって得られる生成物がゲル状物である。この場合、工程
(I)ののちであって工程 (Π)の前に、半導体層が形成される領域に上記ゲル状物を 配置する工程をさらに含んでもよい。この場合、第 3の工程において、ゲル状物中の 溶媒を除去する。
[0046] 本発明の製造方法によれば、本発明の電界効果トランジスタを製造できる。この製 造方法で用いられる微粒子、環状分子および有機半導体分子、およびそれらの関係 については、本発明の電界効果トランジスタについて説明したものと同様であるため 、重複する説明を省略する。ただし、有機分子 (B)の末端基が微粒子と化学結合す る際に末端基の一部 (たとえば水素）が脱離する場合があり、その場合には、有機分 子 (A)と有機分子 (B)とは末端基の一部でわずかに異なる。
[0047] 有機分子 (B)の 2つの末端基は、上記微粒子と化学結合する末端基である。たとえ ば、 SH (メルカプト基）、 OH、 -NH、 -SCHなどを用いることができる。なお
2 3
、 -SCHは、通常、微粒子を構成する金属に配位結合する。微粒子の表面が金 (A
3
u)からなる場合、有機分子 (B)の末端基はメルカプト基であることが好ましい。有機 分子 (B)の具体例および製造方法につ!、ては後述する。
[0048] 本発明の製造方法では、環状分子によって有機分子 (A)の主鎖が包接されている ため、その主鎖長が長くなつた場合でも主鎖の直線性を維持できる。そのため、短絡 や漏れ電流が少なぐ移動度が高ぐ安定な電界効果トランジスタを製造できる。また 、この方法によれば、有機半導体分子を用いる半導体層において課題であった、酸 素や水などに対する耐性も向上させることができる。
[0049] 以下、本発明の実施形態について例を挙げて説明する。ただし、本発明は以下の 実施形態に限定されない。
[0050] [実施形態 1]
実施形態 1では、本発明の電界効果トランジスタ (薄膜トランジスタ: TFT)の具体例 について説明する。
[0051] 図 1A〜図 1Dは、本発明の FETの代表的な例を模式的に示す断面図である。図 1 A〜図 1Dに示すように、本発明の FETには様々な構成が存在する。いずれの FET も、基板 11、ゲート電極 12、ゲート絶縁層 13、半導体層 14、ソース電極 15、および ドレイン電極 16を備える。ゲート電極 12はゲート絶縁層 13を挟んで半導体層 14と対 向している。ゲート電極 12により半導体層 14に印加される電界によって、 ONZOF F状態が制御される。半導体層 14は上述した導電性の微粒子と、当該微粒子と化学 結合するとともに環状分子によって包接された有機半導体分子とによって構成される
[0052] 本発明の FETは、図 2Aおよび図 2Bのような構造であってもよい。図 2Aおよび図 2 Bの FETlOOeおよび 100fでは、ソース電極 15とドレイン電極 16とが半導体層 14を 挟んで対向している。
[0053] 以下、一例として、図 1Bの FETlOObについて説明する。図 1Bに示すように、基板 11の一主面上にはゲート電極 12が形成され、ゲート電極 12を覆うようにゲート絶縁 層 13が形成されている。ソース電極 15およびドレイン電極 16は、ゲート絶縁層 13の 上に、距離をおいて形成されている。そして、 2つの電極およびゲート絶縁層 13を覆 うように、上述のような構成の半導体層 14が形成されている。このように、 FETlOOb では、基板 11上に、ゲート電極 12、ゲート絶縁層 13、 2つの電極、および半導体層 1 4が積層されている。
[0054] 次に、図 1Dに示す FETlOOdを例に挙げて説明する。 FETlOOdでは、ソース電 極 15およびドレイン電極 16が、基板 11の一主面上に、一定の距離をおいて形成さ れている。半導体層 14は、 2つの電極と基板 11とを覆うように形成される。ゲート絶縁 層 13は、半導体層 14上に形成される。ゲート電極 12は、ゲート絶縁層 13上であつ て、少なくともソース電極 15とドレイン電極 16との間の領域に対応する位置に形成さ れる。このように、 FETlOOdでは、基板 11上に、 2つの電極、半導体層 14、ゲート絶 縁層 13、およびゲート電極 12が積層されている。
[0055] 以下に、本発明の FETについて、実施例を具体的に説明する。
[0056] [実施例 1]
実施例 1では、図 1Bに示した FETlOObを製造した一例について説明する。この例 では、基板 11としてポリエチレンテレフタレート（以下、「PET」という場合がある）のフ イルムを用いた。ゲート電極 12は Niで形成し、ソース電極 15およびドレイン電極 16 は Auで形成した。ゲート絶縁層 13は、ポリビュルアルコールで形成した。半導体層 1 4を構成する材料に関して、微粒子としては Au微粒子を用い、有機半導体分子とし てはポリチォフェン誘導体を用い、環状分子としてはシクロデキストリンを用いた。有 機半導体分子の平均主鎖長や、 Au微粒子の平均粒径については後述する。なお、 有機半導体分子の平均主鎖長は、材料となる分子の混合比率を変化させることによ つて調整した。また、 Au微粒子の平均粒径は、所定の平均粒径を有する市販の Au 微粒子をフィルターにかけて所定の径以上の微粒子を除去することによって調整し た。
[0057] 環状分子として用いられるシクロデキストリンの構造を図 3Aに示す。図 3Aの一般式 で示したシクロデキストリンは、グルコースの環状オリゴマーであり、グルコースの数に よって環状構造の大きさが変化する。シクロデキストリンの中でも、 n=4の α—シクロ デキストリン、 η= 5の j8—シクロデキストリン、および n=6の γ —シクロデキストリンが 一般的であり、包接する対象となる分子の大きさに合わせて好適なものを選択するこ とができる。以下の図では、シクロデキストリンを図 3Βのように模式的に示す場合があ る。
[0058] 実施例 1における有機分子 (Α)の状態を図 4Αに示す。有機分子 (Α)のうち、繰り 返し部分の一部がシクロデキストリンで覆われている。なお、シクロデキストリンが配置 される方向は、図示している方向に限定されない (他の図においても同様である）。実 施例 1では、図 4Aに示すように、チォフェン環 4個あたり βーシクロデキストリン 1個と なるように合成を行った。ただし、チォフェン環とシクロデキストリンとの比については 、多少ばらつく場合がある。合成方法は後述する。ポリチォフェンの両末端は、メルカ ブト基由来の硫黄原子を介して微粒子中の Au原子とィ匕学結合して ヽる。微粒子に 結合する前の有機分子 (B)は、図 4Bの分子である。
[0059] ソース電極近傍の半導体層 14の状態を、図 5に模式的に示す。半導体層 14中で は、シクロデキストリンによって包接された有機分子 53が Au微粒子 52に末端の硫黄 原子を介して結合している。有機分子 53の 2つの末端が、異なる Au微粒子 52と結 合することによって網目状のネットワークが形成される。なお、図 5では、模式的に 2次 元的なネットワークを示している力 実際には 3次元的に導電路のネットワークが形成 される。また、有機分子 53は、 Auによって構成されているソース電極 51にも化学結 合している。
[0060] 以下に、実施例 1における FETlOObの製造方法について説明する。まず、 PET基 板（厚み 100 m)上に、ゲート電極 12として、所定の形状の Ni電極（厚み lOOnm) を、マスクを用いた蒸着によって形成した。次に、ポリビニルアルコールの水溶液をス ピンコート法によって塗布した後、乾燥させ、ゲート絶縁層 13 (厚み 500nm)を形成 した。続いて、ゲート絶縁層 13上に、所定の形状のソース電極 15およびドレイン電極 16を、マスクを用いた蒸着によって形成した。具体的には、チャネル長 50 /z m チヤ ネル幅 500 μ mとなるように、 Auからなるソース'ドレイン電極（厚み lOOnm)を形成 した。
[0061] 次に、 Au微粒子の水分散液と図 4Bの有機分子の水溶液とを、半導体層 14を形成 すべき領域に順次塗布した。次に、 105°Cに加熱することによって、溶媒 (水）を蒸発 させ、半導体層 14 (厚み 500nm)を形成した。
[0062] このようにして、 FETlOObを作製した。また、シクロデキストリンで包接されて!/、な!/ヽ 図 4Bの分子を有機分子 (A)として用いたことを除き、上記と同様の方法で比較例の FETを作製した。なお、実施例 1では、 Au微粒子の粒径および有機半導体分子の 平均主鎖長を変化させて、複数種の FETを作製した。ただし、どの FETも半導体層 の厚さは同じとした。 [0063] 以上のように作製した FETについて、キャリア移動度と、ソース ドレイン間の電流 の ON/OFF比とを評価した。キャリア移動度は、ソース一ドレイン間の電圧 Vdsを一 30Vに固定し、ソース—ゲート間に印加する電圧 Vgsを + 50V〜一 80Vまで掃印し た場合における、ソース—ドレイン間に流れる電流値 Idsを測定し、その値から算出し た。なお、 Vds=— 30Vは、 Vgsの掃印範囲において Idsが飽和電流となる電圧とし て選択した。 ONZOFF比は、 Vgsが閾値電圧の + 20Vであるときの Idsと、 Vgsが 閾値電圧の一 20Vであるときの Idsとの比とした。半導体層を構成する微粒子の平均 粒径および有機半導体分子 (鎖状分子)の平均主鎖長と、キャリア移動度および ON ZOFF比との関係について、評価結果を表 1および表 2に示す。表 1には、本発明 の FETの結果を示し、表 2には比較例の FETの結果を示す。
[0064] [表 1]
Figure imgf000016_0001
上段：キャリア移動度（cm2ZV - s)
下段： ONZOFF比
[0065] [表 2] 微粒子の平均粒径（nm)
比較例
約 1 0 約 20 約 30
鎖
約 3.5 ― ― ―
状
分 3.5 6.7
子 約 5 ―
(8 1 0) (2 1 0)
の
1 .2 2.0
平 約 1 0 ―
(3 1 02) (8 10)
均
主 0.4 0.7
約 20 ―
鎖 (5 X 1 02) (2 1 02)
長 0.2 0.5
約 30 ―
(nm) (6 X 1 02) (4 102)
上段：キャリア移動度（cm2ZV ' s)
下段： ON/OFF比
[0066] 表 1および 2において、「一」のマークは、ソース ドレイン間の短絡によって FET特 性が得られな力 たことを表している。比較例の FETにおいては、微粒子の平均粒 径が 30nm以上であると、ソース一ドレイン間が短絡して FET特性が得られな力 た 。また、 FET特性が得られた場合でも、比較例の FETは、ソース ドレイン間の電流 の ONZOFF比が 600以下と低かった。また、比較例の FETは、本発明の FETに比 ベて、キャリア移動度が低力つた。
[0067] 比較例の FETでは、有機半導体分子が環状分子によって包接されていないため、 有機半導体分子の平均主鎖長が長いと直線性が維持できず、折れ曲がった分子構 造になってしまうと考えられる。このため、比較例の FETでは、有機半導体分子の実 効的な平均主鎖長が短 、ために特性が低下すると考えられる。
[0068] これに対して、本発明の FETにおいては、微粒子の平均粒径が lOOnmであっても 、平均主鎖長が 30nmの有機半導体分子を用いることによって FET特性を得ること ができた。しかし、実施例 1で用いた有機半導体分子では、平均主鎖長が 30nmを超 えるような長鎖の分子を合成することは容易ではなぐ合成できたとしても安定性が悪 くプロセス上の制約が多い。そのため、有機半導体分子の平均主鎖長は 30nm程度 以下であることが好ましい。従って、実施例 1の有機半導体分子を用いる場合、微粒 子の平均粒径が lOOnmを超えると、 FET特性を得ることは容易ではない。 [0069] 本発明の FETでは、有機分子 (A)の平均主鎖長が微粒子の平均粒径以上である 場合には、 ON/OFF比が 10000以上であった。本発明の FETでは、キャリア移動 度と ONZOFF比とはトレードオフの関係にあるので、応用するアプリケーションに応 じて最適化することが好ましい。なお、本発明の FETで得られるキャリア移動度は、 塗布プロセスで形成される一般的な有機 FETで得られるキャリア移動度を十分に上 回っている。
[0070] [実施例 2]
実施例 2では、図 1Dの FETlOOdを製造した一例について説明する。この例では、 FETの各構成要素の材料は、実施例 1で使用した材料と同じとした。 Au微粒子の平 均粒径は約 20nmとし、有機半導体分子の平均主鎖長は約 30nmとした。
[0071] 以下に、実施例 2における FETlOOdの製造方法について説明する。まず、 PET基 板（厚み 100 m)上に、所定の形状のソース電極 15およびドレイン電極 16を、マス クを用いた蒸着によって形成した。具体的には、チャネル長 50 m、チャネル幅 500 μ mとなるように、 Au力もなるソース'ドレイン電極 (厚み lOOnm)を形成した。
[0072] 次に、半導体層 14を形成すべき領域に Au微粒子の水分散液を塗布し、 105°Cで 加熱して溶媒を蒸発させ、 Au微粒子の層を形成した。次に、図 4Bの分子の水溶液 を Au微粒子の層上に塗布し、 Au微粒子と図 4Bの有機分子とを結合させた。次に、 再度 105°Cで加熱して溶媒を蒸発させ、半導体層 14 (厚み 500nm)を形成した。
[0073] 次に、ポリビニルアルコールの水溶液をスピンコート法によって塗布した後、乾燥さ せ、ゲート絶縁層 13 (厚み 500nm)を形成した。次に、ゲート電極 12として Ni電極（ 厚み lOOnm)を、マスクを用いた蒸着によって形成した。このようにして、 FETlOOb を作製した。
[0074] 実施例 1と同様に、キャリア移動度と ONZOFF比とを評価した。その結果、キヤリ ァ移動度が 1. 7cm2ZVsであり、 ONZOFF比が 3 X 105であった。
[0075] [実施例 3]
実施例 3では、図 2Aの FETlOOeを製造した一例について説明する。この例では、 FETの各構成要素の材料は、実施例 1で使用した材料と同じとした。 Au微粒子の平 均粒径は約 20nm、鎖状分子の平均主鎖長は約 30nmとした。 [0076] 以下に、実施例 3における FETlOOeの製造方法について説明する。まず、 PET基 板（厚み 100 m)上に、ゲート電極 12として、所定の形状の Ni電極（厚み lOOnm) を、マスクを用いた蒸着によって形成した。次に、ポリビニルアルコールの水溶液をス ピンコート法によって塗布した後、乾燥させ、ゲート絶縁層 13 (厚み 500nm)を形成 した。続いて、ゲート絶縁層 13上に、所定の形状のソース電極 15を、マスクを用いた 蒸着によって形成した。
[0077] 次に、 Au微粒子の水分散液と図 4Bの有機半導体分子の水溶液とを混合して、ゲ ル状物を得た。このゲル状物を、半導体層 14を形成すべき領域に塗布した後、 105 °Cで加熱して液体成分を蒸発させ、半導体層 14 (厚み 500nm)を形成した。
[0078] 次に、 Auからなるドレイン電極 16 (厚み lOOnm)を、マスクを用いた蒸着によって 形成した。ドレイン電極 16は、チャネル幅が 100 /z mとなるように形成した。この例の FETlOOeでは、半導体層 14の厚み（500nm)がチャネル長となる。このようにして、 FETlOOeを作製した。
[0079] 実施例 1と同様に、キャリア移動度と ONZOFF比の評価を行った結果、キャリア移 動度が 1. 4cm2ZVsであり、 ON/OFF比が 2 X 104であった。ただし、実施例 3の F ETは、実施例 1および 2の FETに比べてチャネル長が短いので、 Vdsは 3Vに固 定して測定を行った。
[0080] なお、上記実施例では主鎖長がほぼ一定である有機半導体分子を用いたが、主鎖 長が異なる複数種の有機半導体分子を適当な混合比で用いてもよい。たとえば、図 6に示すように、所定の主鎖長の有機半導体分子 63を主とし、主鎖長がより長い有 機半導体分子 64を混在させてもよい。これにより、図 5の場合に比べて、より多くの有 機半導体分子によって微粒子 62間が結合されるので、半導体層に流せる電流を増 加できる。混在させる鎖長に制限はないが、主となる有機半導体分子の鎖長はそれ らの中の一番短いものとすることが好ましい。そうした場合、主となる有機半導体分子 によって微粒子を含むネットワークが形成され、それより長 、有機半導体分子はその 間を埋めていくのに利用される。
[0081] また、上記実施例では、図 4Bに示した有機半導体分子を用いた場合のみについ て説明したが、本発明で使用できる有機半導体分子はこれらに限定されない。たとえ ば、図 7Aに示す化合物や図 7Bに化合物に示す化合物を用いてもよい。これらの化 合物の合成方法の一例については後述する。
[0082] 環状分子は、有機半導体分子の直線性をある程度保持できる限り、図 7Aおよび図 7Bに示すように有機半導体分子の一部を被覆していればよい。ただし、有機半導体 分子の直線性を高めるため、 π電子共役鎖の主鎖長の 3割以上が環状分子で被覆 されていることが好ましい。
[0083] 有機分子 (Α)および (Β) (共役 π電子系分子）には、ポリアセチレンやポリフエニル アセチレンといったアセチレン系分子の誘導体を用いてもよい。また、縮合環芳香族 炭化水素およびその誘導体、たとえば、テトラセン、へキサセンといったァセン系列の 分子の誘導体や、フエナントレン、タリセンといったフェン系列の分子の誘導体を用い てもよい。また、ポリピロールやポリアルキルピロールといったピロール系分子の誘導 体や、オリゴフエ-レンやポリフエ-レンと!/、つたフエ-レン系分子の誘導体を用いて もよい。また、これらの分子同士や、ビニル基ゃェチュル基などを組み合わせたコポ リマーの誘導体を用いてもよい。また、上述のような分子の主鎖に対して一部側鎖が 導入されていてもよい。
[0084] なお、上記実施例では、環状分子で包接された共役鎖がメルカプト基由来の硫黄 原子を介して Au原子とィ匕学結合する場合について説明したが、末端の形態はこれ に限定されない。たとえば、図 8に示すように、ポルフィリン誘導体のような嵩高い分 子を介在させてもよい。このような嵩高い分子で末端を修飾することによって、半導体 層形成時に有機半導体分子を包接する環状分子が脱落することを防止できる。
[0085] なお、上記実施例では微粒子として Au微粒子を用いた力 本発明はこれに限定さ れない。 Au微粒子の代わりに、 Ag、 Cu、 Ptなどの微粒子を用いても同様の効果が 得られる。有機半導体分子の末端基は、微粒子に応じて適当なものを選択すればよ Vヽ。微粒子の表面を構成する金属と末端基との好ま ヽ組み合わせ (金属 Z末端基 )としては、たとえば、 AuZ— SH、 PtZ— SH、 CaZ— OHが挙げられる。また、上 記で選択される元素にお 、て、周期律表の同属に分類されるものは近 、性質を示す ことから、例えば硫黄原子を Seや Teと置き換えることも可能である。
[0086] [実施形態 2] 実施形態 2では、実施形態 1で説明した本発明の FETを備える機器の例として、ァ クティブマトリクス型ディスプレイ、無線 IDタグ、および携帯用機器について説明する
[0087] アクティブマトリクス型ディスプレイの一例として、表示部に有機 ELを用いたデイス プレイについて説明する。ディスプレイの構成を模式的に示す一部分解斜視図を、 図 9に示す。
[0088] 図 9に示すディスプレイは、ブラスティック基板 91上にアレイ状に配置された駆動回 路 90を備える。駆動回路 90は本発明の FETを含み、画素電極に接続されている。 駆動回路 90の上には、有機 EL層 92、透明電極 93および保護フィルム 94が配置さ れている。有機 EL層 92は、電子輸送層、発光層および正孔輸送層といった複数の 層が積層された構造を有する。各 FETの電極に接続されたソース電極線 95とゲート 電極線 96とは、それぞれ、制御回路（図示せず)へ接続される。
[0089] 駆動回路 90およびその周辺の一例の拡大図を、図 10に示す。図 10に示す FET の構造は、基本的に図 1Cに示す構造と同様である。つまり、図 10に示す FETでは、 半導体層 104と、ソース電極 105およびドレイン電極 106と、ゲート絶縁層 103と、ゲ ート電極 102とが基板上に積層されている。ドレイン電極 106は有機 ELの画素電極 107に電気的に接続されている。ゲート電極 102が接続されたゲート電極線 96と、ソ ース電極 105が接続されたソース電極線 95とが交差する部分には、絶縁層 108が形 成されている。半導体層 104は、実施形態 1で説明したような半導体層である。
[0090] キャリア移動度が高 、本発明の FETを用いることによって、表示速度 (反応速度） が速ぐ安価なアクティブマトリクス型のディスプレイを実現できる。また、本発明の FE Tを使用することによって、柔軟性および耐衝撃性を備えたシートライクなディスプレ ィを実現できる。
[0091] なお、この実施形態では、表示部に有機 ELを用いた場合について説明した力 本 発明はこれに限定されない。本発明は、 FETを含む回路を備える他のアクティブマト リクス型のディスプレイに適用でき、それによつて同様の効果が得られる。
[0092] また、画素を駆動する駆動回路部の構成は、この実施形態で示した構成には限定 されない。たとえば、 1つの画素を駆動するために電流駆動用の FETとそれを制御 するためのスイッチング用 FETとを組み合わせた構成としてもよい。また、さらに複数 個の FETを組み合わせた構成としてもよい。また、 FETは、この実施形態で示した F ETに限定されず、本発明の他の FETを用いることによって同様の効果が得られる。
[0093] 次に、本発明の FETを無線 IDタグに応用した場合について説明する。本発明の F ETを用いた無線 IDタグの一例の斜視図を、図 11に模式的に示す。なお、図 11では 、アンテナ部とメモリー IC部とを接続する配線や、整合回路などの図示を省略する。
[0094] 図 11に示すように、無線 IDタグ 110は、フィルム状のプラスティック基板 111を基板 として使用している。この基板 111上には、アンテナ部 112とメモリー IC部 113とが設 けられている。ここで、メモリー IC部 113は、実施形態 1において説明したような本発 明の FETを利用して構成される。無線 IDタグ 110は、基板の裏面に粘着効果を持た せることによって、菓子袋やドリンク缶のような平坦でないものに貼り付けることが可能 である。なお、無線 IDタグ 110の表面には、必要に応じて保護膜が設けられる。
[0095] このように、本発明の FETを用いることによって、様々な素材の物品へ貼り付けるこ とが可能で様々な形状の無線 IDタグが得られる。また、キャリア移動度が高い本発明 の FETを用いることによって、反応速度 (処理速度）が速ぐ通信周波数の高い無線 I Dタグが得られる。
[0096] なお、本発明の無線 IDタグは、図 11に示した無線 IDタグに限定されない。従って 、アンテナ部およびメモリー IC部の配置や構成に限定はない。たとえば、倫理回路を 無線 IDタグに組み込んでもよ!/、。
[0097] また、この実施形態では、アンテナ部 112とメモリー IC部 113とをブラスティック基板
111上に形成する場合について説明した力 本発明はこの形態に限定されない。た とえば、インクジェット印刷のような方法を用いて、対象物に直接、アンテナ部 112とメ モリー IC部 113とを形成してもよい。その場合も、本発明の FETを形成することによ つて、キャリア移動度が改善された FETを備える無線 IDタグを低コストで製造できる。
[0098] 次に、本発明の FETを含む集積回路を備える携帯用機器について説明する。携 帯用機器の集積回路には、演算素子や記憶素子やスイッチング素子など、半導体の 特性を利用した様々な素子が用いられる。これらの素子の少なくも一部に本発明の F ETを用いることによって、機械的柔軟性、耐衝撃性、捨てる際の対環境性、軽量、安 価と!/、つた特性に優れると!、う有機材料の利点を備える携帯用機器を製造できる。
[0099] 本発明の電子機器の例として、 3つの携帯用機器を図 12〜図 14に示す。
[0100] 図 12に示す携帯テレビ 120は、表示装置 121、受信装置 122、側面スィッチ 123、 前面スィッチ 124、音声出力部 125、入出力装置 126、記録メディア挿入部 127を備 える。本発明の FETを含む集積回路は、携帯テレビ 120を構成する演算素子や記 憶素子やスイッチング素子などの素子を含む回路として使用される。
[0101] 図 13に示す通信端末 130は、表示装置 131、送受信装置 132、音声出力部 133、 カメラ部 134、折りたたみ用可動部 135、操作スィッチ 136、音声入力部 137を備え る。本発明の FETを含む集積回路は、通信端末 130を構成する演算素子や記憶素 子やスイッチング素子などの素子を含む回路として使用される。
[0102] 図 14に示す携帯用医療機器 140は、表示装置 141、操作スィッチ 142、医療的処 置部 143、経皮コンタクト部 144を備える。携帯用医療機器 140は、たとえば腕 145 などに巻き付けられて携行される。医療的処置部 143は、経皮コンタクト部 144から 得られる生態情報を処理し、それに応じて経皮コンタクト部 144を通じて薬物投与な どの医療的処置を行う部分である。本発明の FETを含む集積回路は、携帯用医療 機器 140を構成する演算素子や記憶素子やスイッチング素子などの素子を含む回 路として使用される。
[0103] なお、本発明の FETを応用した携帯用機器の構成について、例を挙げて説明した 力 本発明はこれらの構成に限定されない。また、本発明の FETを適用できる携帯 用機器は、例示した機器に限定されない。本発明の FETは、 PDA端末や、ウェアラ ブルな AV機器、ポータブルなコンピュータ、腕時計タイプの通信機器など、機械的 柔軟性、耐衝撃性、捨てる際の対環境性、軽量性、安価といった特性が要求される 機器に好適に応用できる。
[0104] [平均粒径の算出方法]
以下に、半導体層中の微粒子の平均粒径の算出方法について説明する。まず、半 導体層の一部の断面の写真を撮影する。図 15Aは、 FETを構成する半導体層 151 の一部の断面を模式的に示す。半導体層 151の断面 151aを観察することによって、 導電性の微粒子 152が有機半導体材料 153の内部に分散されている状態が容易に 確認できる。
[0105] 半導体層 151の断面 151aを SEMや TEMによって観察すると、図 15Aに示すよう に、色調の違い (又は、濃淡の違い）によって、微粒子 152と有機半導体材料 153と を区別して認識することが可能である。例えば、図 15Aの例では、微粒子 152は黒 色体として認識可能である。一方、有機半導体材料 153は白色体として認識可能で ある。観察の方法によって、各部分の色や色調は変化するが、微粒子 152と有機半 導体材料 153との間で、色および Zまたは色調が異なる。そのため、撮影した写真を 画像処理して 2値ィ匕することによって、微粒子 152と有機半導体材料 153とを区別す ることが可能である。画像処理されたデータから、それぞれの微粒子 152の部分の面 積が算出される。この面積を用いて、微粒子 152の断面が真円であると仮定して個 々の微粒子 152の粒径が算出される。なお、実施例では、半導体層の断面の TEM 写真を観察することによって、平均粒径を算出した。粒径分布の一例を図 15Bに示 す。この明細書において、「平均粒径」とは、上記方法によって、 100個以上の微粒 子の粒径を算出し、その粒径を平均することによって得られる値である。
[0106] [図 4Bに示される有機分子の合成方法]
以下に、図 4Bに示される化合物の合成方法の一例を示す。まず、図 16に示すィ匕 合物（1)および (2)を出発材料として、図 16に示す反応条件で化合物（6)を合成す る。また、図 16に示すィ匕合物（7)を出発材料として、化合物（8)を合成する。次に、 図 17に示すィ匕合物（10)、図 16に示したィ匕合物（6)および (8)、ならびに複数の α —シクロデキストリンを用いて、化合物（11)を合成する。化合物（11)を多量の水で 精製したのち、酸で処理すると、リチウム原子が水素原子に置換される。このようにし て、図 4Βの化合物を合成できる。
[0107] [図 7Αに示される有機分子の合成方法]
以下に、図 7Αに示される化合物の合成方法の一例を示す。まず、図 18に示すィ匕 合物（21)を出発材料として、図 18に示す反応条件で化合物（25)を合成する。次に 、化合物（25)、化合物（10)および図 16に示したィ匕合物（8)、および複数の α—シ クロデキストリンを用いて、図 18に示す反応条件で化合物（26)を合成する。化合物（ 26)を多量の水で精製したのち、酸で処理すると、リチウム原子が水素原子に置換さ れる。図 7Aの化合物を合成できる。
[0108] [図 7Bに示される有機分子の合成方法]
以下に、図 7Bに示される化合物の合成方法の一例を示す。図 19に示すように、化 合物（10)、図 18に示した化合物（25)、化合物（31)および複数の |8—シクロデキス トリンを出発材料として、化合物（32)を合成する。化合物（32)を多量の水で精製し たのち、酸で処理すると、リチウム原子が水素原子に置換される。このようにして、図 7 Bの化合物を合成できる。
[0109] なお、導電性微粒子に結合する有機半導体分子として、図 20A、図 20Bおよび図
20Cに示すィ匕合物を用いてもょ 、。
産業上の利用可能性
[0110] 本発明は、有機半導体分子を含む半導体層を備える電界効果トランジスタ、および その製造方法に適用できる。また、本発明は、そのような電界効果トランジスタを備え る各種の電子機器に適用できる。

Claims

請求の範囲
[1] チャネル領域として機能する部分を含む半導体層を備える電界効果トランジスタで あって、
前記半導体層が、前記半導体層内に分散された複数の導電性の微粒子と、前記 微粒子に化学結合して前記微粒子間を連結する有機半導体分子と、環状分子とを 構成要素として含み、
前記有機半導体分子は π電子共役鎖を主鎖として含み、
前記 π電子共役鎖が前記環状分子によって包接されている電界効果トランジスタ。
[2] 前記有機半導体分子の平均主鎖長が、前記微粒子の平均粒径以上である請求項
1に記載の電界効果トランジスタ。
[3] 前記有機半導体分子は、主鎖長が異なる複数種の分子を含む請求項 2に記載の 電界効果トランジスタ。
[4] 前記環状分子がシクロデキストリンである請求項 2に記載の電界効果トランジスタ。
[5] 前記微粒子の平均粒径が lOnn！〜 lOOnmの範囲にある請求項 2に記載の電界効 果トランジスタ。
[6] 前記 π電子共役鎖の末端に、前記環状分子の内径よりも幅が大きい原子団が結 合して 、る請求項 2に記載の電界効果トランジスタ。
[7] 前記半導体層に接触する電極を含み、
前記電極の表面と前記微粒子の表面とが同じ金属元素を主成分とし、 一部の前記有機半導体分子が、前記電極の表面と前記微粒子との両方に化学結 合して 、る請求項 2に記載の電界効果トランジスタ。
[8] 少なくとも 1つの電界効果トランジスタを含む電子機器であって、
前記電界効果トランジスタが、チャネル領域として機能する部分を含む半導体層を 備え、
前記半導体層が、前記半導体層内に分散された複数の導電性の微粒子と、前記 微粒子に化学結合して前記微粒子間を連結する有機半導体分子と、環状分子とを 構成要素として含み、
前記有機半導体分子は π電子共役鎖を主鎖として含み、 前記 π電子共役鎖が前記環状分子によって包接されている電子機器。
[9] 前記有機半導体分子の平均主鎖長が、前記微粒子の平均粒径以上である請求項 8に記載の電子機器。
[10] 複数の導電性の微粒子を含む半導体層を備える電界効果トランジスタの製造方法 であって、
(I)複数の前記微粒子と、環状分子によって包接された π電子共役鎖と前記 π電 子共役鎖の両末端に配置され前記微粒子とィヒ学結合する 2つの末端基とを備える有 機半導体分子とを、溶媒中で接触させることによって、前記有機半導体分子の前記 末端基と前記微粒子とを化学結合させる工程と、
(II)前記溶媒を除去する工程と、を含む電界効果トランジスタの製造方法。
[11] 前記有機半導体分子の平均主鎖長が、前記微粒子の平均粒径以上である請求項 10に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
[12] 前記 (I)の工程は、複数の前記微粒子と第 1の溶媒とを含む第 1の液体と、前記有 機半導体分子と第 2の溶媒とを含む第 2の液体とを前記半導体層が形成される領域 に供給することによって、前記領域において前記有機半導体分子の前記末端基と前 記微粒子とをィ匕学結合させる工程を含む請求項 11に記載の電界効果トランジスタの 製造方法。
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