スイッチング素子及びその製造方法
【課題】ＣＮＴとゲート絶縁膜との相互作用を高め、良好かつ安定したトランジスタ特性を示すスイッチング素子を提供する。
【解決手段】本発明のスイッチング素子は、ゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜に接して形成された活性層とを具備する。前記活性層は、カーボンナノチューブを含み、前記ゲート絶縁膜は、側鎖に芳香族環を有する非共役高分子を含んでいる。
【解決手段】本発明のスイッチング素子は、ゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜に接して形成された活性層とを具備する。前記活性層は、カーボンナノチューブを含み、前記ゲート絶縁膜は、側鎖に芳香族環を有する非共役高分子を含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００７年３月２日に出願された、日本特許出願（出願番号：特願２００７−０５３５１２）に基づくものであり、且つ、当該日本特許出願からの優先権の利益を主張するものであり、当該日本特許出願の開示の全体は、参照することをもって本出願に組み込まれる。
【０００２】
本発明はカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと記載することがある）を活性層に用いたスイッチング素子に関する。
【背景技術】
【０００３】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、液晶ディスプレイやＥＬディスプレイなどの表示装置用の画素スイッチング素子として、広く用いられている。また近年では、画素アレイのドライバ回路もＴＦＴによって同一基板上に形成される例が増えている。従来、こうしたＴＦＴはアモルファスや多結晶のシリコンを用いてガラス基板上に作成されていた。
【０００４】
こうしたシリコンを用いたＴＦＴの作成に用いられるＣＶＤ装置は非常に高額であり、ＴＦＴを用いた表示装置などの大面積化は製造コストの大幅な増加を伴う。またアモルファスや多結晶のシリコンを成膜するプロセスは極めて高い温度で行われるため、基板として使用可能なのは、ガラス基板などの耐熱性の高い材料に限られている。
【０００５】
このような背景から、ＣＮＴを活性層として用いたＴＦＴが提唱されている。ＣＮＴを用いたＴＦＴの作製方法として、ＣＮＴを分散させたＣＮＴ分散液を基板上に塗布して乾燥させる塗布法等のウエットプロセスが知られている。このようなウェットプロセスは、ＣＶＤ装置等の高価な装置を必要とせず、また、大面積化が安価に実現可能である。更には、そのプロセス温度が低いことから、基板として用いる材料を選択する際の制限が少な
いといった利点も有している。このようなＣＮＴ分散膜を用いたＴＦＴについては、下記の先行文献（１）〜（６）に開示されている：
（１）E.S.
Snow, J. P. Novak, P. M. Campbell, D. Park, "Random networks of carbon
nanotubes as an electronic material, Applied Physics Letters, vol. 82, No. 13,
p.p. 2145-2147 (2003)
（２）E.
Artukovic, M. Kaempgen, D. S. Hecht, S. Roth, G. Gruener, "Transparent and
Flexible Carbon Nanotube Transistors", Nano Letters, vol. 5, No. 4, p.
757-760 (2005)
（３）S.-H.
Hur, O. O. Park, J. A. Rogers, "Extreme bendability of single-walled
carbon nanotube networks transferred from high-temperature growth substrates to
plastic and their use in thin-film transistors", Applied Physics Letters,
vol. 86, p. 243502 (2005)
（４）T.
Takenobu, T. Takahashi, T. Kanbara, K. Tsukagoshi, Y. Aoyagi, Y. Iwasa,
"High-performance transparent flexible transistors using carbon nanotube
films", Applied Physics Letters, vol. 88, p. 33511 (2006)
（５）特開２００５−３４７３７８号 公報
（６）特開２００６−７３７７４号 公報
【０００６】
ところで、活性層がゲート絶縁膜に接して設けられる構造のＴＦＴの場合、活性層としてＣＮＴを用いると、ＣＮＴはゲート絶縁膜と接する事になる。ゲート絶縁膜としては、例えば先行文献（２）に開示されているように、ポリエステル、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアセテート、ポリイミド、あるいはそれらの誘電体から選択される高分子材料を用いることが知られている。
【０００７】
しかしながら、従来のゲート絶縁膜を用いて、ＣＮＴを含む活性層をゲート絶縁膜に接するように形成しようとすると、ゲート絶縁膜とＣＮＴとの相互作用が十分に得られない事があった。例えば、ゲート絶縁膜上に、ＣＮＴを含む分散液を塗布、乾燥させてＴＦＴを作製しようとする場合、分散液中のＣＮＴとゲート絶縁膜表面との相互作用が不十分となり、活性層として固定されるＣＮＴの量が不足して、十分な密度、均一性が得られないことがあった。このような活性層におけるＣＮＴ付着量の不均一性は、素子のスイッチング特性のばらつきを引き起こし、アレイ化した際の歩留まりを大きく低下させる。これを解決する手段としてチャネル領域をメルカプトピリジン等による芳香族チオールで表面処理し、高い密度でＣＮＴを定着させることも行われている。しかし、余分な表面処理工程が必要である、チャネル領域以外の場所への付着を抑えるためにパターニング工程の追加が必要となるなど、製造プロセスが複雑化し、コストの上昇要因となってしまう。
【０００８】
また、予めＣＮＴを含む活性層を設けておき、その上にゲート絶縁膜を形成した場合でも、ＣＮＴとゲート絶縁膜の相互作用が不足していれば、活性層―ゲート絶縁膜界面の不安定化の原因となり、素子特性の経時変化をもたらす要因の一つとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−３４７３７８号公報
【特許文献２】特開２００６−７３７７４号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】E.S. Snow, J. P. Novak, P. M. Campbell,D. Park, "Random networks of carbon nanotubes as an electronic material, AppliedPhysics Letters, vol. 82, No. 13, p.p. 2145-2147 (2003)
【非特許文献２】E. Artukovic, M. Kaempgen, D. S. Hecht, S. Roth, G. Gruener,"Transparent and Flexible Carbon Nanotube Transistors", Nano Letters,vol. 5, No. 4, p. 757-760 (2005)
【非特許文献３】S.-H. Hur, O. O. Park, J. A. Rogers, "Extreme bendability ofsingle-walled carbon nanotube networks transferred from high-temperature growthsubstrates to plastic and their use in thin-film transistors", AppliedPhysics Letters, vol. 86, p. 243502 (2005)
【非特許文献４】T. Takenobu, T. Takahashi, T. Kanbara, K. Tsukagoshi, Y. Aoyagi, Y.Iwasa, "High-performance transparent flexible transistors using carbonnanotube films", Applied Physics Letters, vol. 88, p. 33511 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、ＣＮＴとゲート絶縁膜との相互作用を高め、良好かつ安定したトランジスタ特性を示すスイッチング素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一の観点においては、スイッチング素子が、ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜に接して形成された活性層と、を具備する。活性層は、カーボンナノチューブを含んでいる。ゲート絶縁膜は、側鎖に芳香族環を有する非共役高分子（non-conjugated polymer）を含んでいる。
【００１３】
本願発明者らは、前述の課題解決のため鋭意検討を重ねた結果、上記のように、側鎖に芳香族環を含有する非共役高分子によりゲート絶縁膜を形成することにより、ゲート絶縁膜表面とＣＮＴとの間の相互作用を増強できることを見出した。これにより、低温、簡便、安価なプロセスで良好かつ安定したトランジスタ特性を示すスイッチング素子を得る事ができる。
【００１４】
上記のスイッチング素子において、ゲート絶縁膜の膜厚が、０．０１〜１．００μｍであることが好ましい。０．０１μｍより薄いと、リーク電流を効果的に抑制することが困難となり、１．０μｍより厚いと、ゲートバイアス電圧による活性層のスイッチング現象を効果的に制御するのが難しくなる。
【００１５】
上記のスイッチング素子において、一の観点から、ゲート絶縁膜は、単層膜により形成されていることが好ましい。他の一観点からは、ゲート絶縁膜が、活性層に接する第１ゲート絶縁膜層と、活性層に接しない第２ゲート絶縁膜層とを有し、その非共役高分子は、第１ゲート絶縁膜層に含まれていることが好ましい。このように、ゲート絶縁膜を２層構造としてもよい。２層構造の場合、活性層に接する層（第１ゲート絶縁層）中に、上記の非共役高分子が含まれていれば、ＣＮＴとゲート絶縁膜との相互作用を高めることができる。
【００１６】
上記のスイッチング素子において、一観点からは、その非共役高分子は、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａからなる重合体であることが好ましい。また、他の一観点からは、その非共役高分子が、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａと、芳香族環を有する側鎖を有さない少なくとも１種類の繰り返し単位Ｂとからなる共重合体であり、その繰り返し単位Ａは、その繰り返し単位Ｂに対して、モル比にして５倍以上の割合で含まれていることが好ましい。繰り返し単位Ａのみからなる重合体とすれば、芳香族環の密度が高くなり、ゲート絶縁膜−活性層間の相互作用を高めることができる。一方、側鎖に芳香族環を有する繰り返し単位Ａのみでなく、芳香族環を有する側鎖を持たない繰り返し単位Ｂをも導入すれば、芳香族環の存在により非共役高分子が剛直になってしまうことを防止することができる。尚、繰り返し単位Ａの含有量が、繰り返し単位Ｂの含有量に対して、モル比で５倍より少なくなると、芳香族環の密度が不十分となり、ゲート絶縁膜−ＣＮＴ間の相互作用も不十分となる傾向にある。
【００１７】
上記のスイッチング素子において、その非共役高分子は、下記構造式：
【化１】
で表される置換ポリエチレン骨格を繰り返し単位として含むことが好ましい。但し、式中、Ｘは連結基又は単結合、Ａｒは芳香族環を有する芳香族基、ｎは正の整数を示す。このような置換ポリエチレン骨格を有する非共役高分子は、樹脂加工が行いやすく、安価である。したがって、所望の構造を有する非共役高分子を、安価に得る事ができる。
【００１８】
上記のスイッチング素子において、その芳香族環は、芳香族炭素環であることが好ましい。
【００１９】
本発明の他の観点においては、スイッチング素子の製造方法が、ゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜と接する様に活性層を形成する工程とを具備する。ゲート絶縁膜は、側鎖に芳香族環を有する非共役高分子を含む。活性層は、カーボンナノチューブを含む。
【００２０】
上記のスイッチング素子の製造方法において、一実施形態では、前記ゲート絶縁膜が基板の上に形成され、前記活性層の形成は、前記ゲート絶縁膜の形成の後に行われる。この場合、前記活性層を形成する工程は、ゲート絶縁膜上に、カーボンナノチューブの分散したカーボンナノチューブ分散液を塗布する工程と、塗布されたカーボンナノチューブ分散液を乾燥させる工程とを含むことが好ましい。また、前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、非共役高分子を含む溶液を前記基板上に塗布する工程と、塗布された溶液を乾燥させる工程と、を含むことが好ましい。
【００２１】
別の実施形態では、前記活性層が基板の上に形成され、前記ゲート絶縁膜の形成は、前記活性層の形成の後に行われる。この場合、前記活性層形成工程は、基板上に、カーボンナノチューブの分散したカーボンナノチューブ分散液を塗布する工程と、塗布された前記カーボンナノチューブ分散液を乾燥させる工程と、を含むことが好ましい。また、前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、非共役高分子を含む溶液を前記基板上に塗布する工程と、塗布された溶液を乾燥させる工程と、を含むことが好ましい。
【００２２】
上記のスイッチング素子の製造方法において、一観点からは、その非共役高分子が、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａからなる重合体であることが好ましい。また、他の一観点からは、その非共役高分子が、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａと、芳香族環を有する側鎖を有さない少なくとも１種類の繰り返し単位Ｂとからなる共重合体であり、その繰り返し単位Ａは、その繰り返し単位Ｂに対して、モル比にして５倍以上の割合で含まれていることが好ましい。
【００２３】
上記のスイッチング素子の製造方法において、その非共役高分子は、下記構造式：
【化２】
で表される置換ポリエチレン骨格を繰り返し単位として含むことが好ましい。但し、式中、Ｘは連結基又は単結合、Ａｒは芳香族環を有する芳香族基、ｎは正の整数を示す。
【００２４】
上記のスイッチング素子において、その芳香族環は、芳香族炭素環であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ＣＮＴとゲート絶縁膜との相互作用を高め、良好かつ安定したトランジスタ特性を示すスイッチング素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】第１の実施形態のスイッチング素子の構造を示す概略断面図である。
【図１Ｂ】第１の実施形態のスイッチング素子の他の構造を示す概略断面図である。
【図２Ａ】第２の実施形態のスイッチング素子の構造を示す概略断面図である。
【図２Ｂ】第２の実施形態のスイッチング素子の他の構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１の実施形態に係るスイッチング素子１０の構成について説明する。
【００２８】
図１Ａは、本発明のスイッチング素子１０の構成を示す概略断面図である。図１Ａに示されるように、このスイッチング素子１０は、支持基板１と、支持基板１上に形成されたゲート電極２と、ゲート電極２を被覆するようにして支持基板１上に設けられたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に、チャネル長に応じた距離を隔てて設けられたソース電極４及びドレイン電極５と、ゲート絶縁膜３、ソース電極４、及びドレイン電極５の全てに接するよう設けられた活性層６と、を有している。このように、本実施形態にかかるスイッチング素子１０は、いわゆるボトムコンタクト型の薄膜トランジスタである。
【００２９】
支持基板１の材質は特に限定されない。例えば、ガラス、石英、シリコンウェハなどの無機材料や、ポリエチレンスルフィド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエチレン系樹脂の他、ポリアミド系、ポリカーボネート系などの高分子材料などを用いる事ができる。このように、支持基板１の材質が特に限定されないのは、後述するように、本発明にかかるスイッチング素子１０を製造するにあたって高いプロセス温度を必要としないからである。
【００３０】
ソース電極４、ドレイン電極５、及びゲート電極２の各電極の材料としては、十分な導電性を有するものであれば特に限定されない。但し、電荷注入電極として作用する電極はＣＮＴへの電荷注入特性に優れたものがより望ましい。このようなものとしては、例えば、酸化インジウム錫合金（ＩＴＯ）、酸化錫（ＮＥＳＡ）、金、銀、白金、銅、インジウム、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、アルミニウム−リチウム合金、アルミニウム−スカンジウム−リチウム合金、マグネシウム−銀合金等の金属や合金、あるいはこれらの酸化物の他、導電性ポリマーなどの有機材料を挙げることができる。
【００３１】
活性層６には、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の分散した膜（以下、ＣＮＴ分散膜と記載することがある）が含まれている。活性層６に用いられるＣＮＴは、ＣＮＴ分散膜として十分な半導体特性を示すものであれば、特に限定されるものではない。ＣＮＴを製造する方法としては、例えば、アーク放電法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法などの公知の方法を用いることができる。ＣＮＴには元来、単一の炭素層からなるシングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）と、複数の炭素層からなるマルチウォールナノチューブ（ＭＷＮＴ）の２種が知られている。ＳＷＮＴは半導体特性を示すものと導電体的性質を有するものが存在し、ＭＷＮＴはこれらがランダムに組み合わされて形成される。導電体的性質を示すＣＮＴがＣＮＴ分散膜中に存在した場合、オフ電流を上昇させる要因となりうることから、低消費電力が求められる用途においては、ＣＮＴ分散膜中における導電体的ＣＮＴの存在率はなるべく低い方が望ましい。
【００３２】
ゲート絶縁膜３は、非共役高分子（non-conjugated polymer）を含んでいる。この非共役高分子は、主鎖と側鎖からなる構造を有している。側鎖には芳香族基が含まれ、主鎖は非共役構造となっている。
【００３３】
ゲート絶縁膜３に、このような非共役高分子を用いると、側鎖に含まれる芳香族基が薄膜形成時に特定の確率で膜表面に露出あるいは膜面からぶら下がる形状になる。そして、この芳香族基の有するπ電子雲と、活性層６に含まれるＣＮＴ表面に露出するＣＮＴのπ電子雲との間に、相互作用が働くことになる。この相互作用による引力により、ＣＮＴがゲート絶縁膜３の表面に強く定着する。従って、ゲート絶縁膜３とＣＮＴを含む活性層６との相互作用を高めることができる。
【００３４】
尚、ゲート絶縁膜３に、共役構造を有する主鎖の高分子を用いた場合、ゲート絶縁膜３全体の導電率の上昇を招いてしまい、ゲート電極と他の電極との間のリーク電流を抑制するというゲート絶縁膜３としての機能を十分に果たせなくなる。従って、主鎖は非共役構造を有している必要がある。
【００３５】
また、ゲート絶縁膜３として、芳香族基を主鎖に導入した場合、上述したようなＣＮＴとの相互作用を働かせることはできるかもしれないが、ゲート絶縁膜３の柔軟性が失われ、剛直になり易い。ゲート絶縁膜３が剛直になると、フレキシブルな基板材料の適用が困難となり、支持基板選択の自由度が大きく損なわれる。またこれを避けるために、柔軟性を有する置換基を側鎖に導入したとしても、ゲート絶縁膜３表面における芳香族基の露出数が減少してしまうので、当初の目的であるＣＮＴと絶縁膜表面との相互作用の増強効果が得られなくなる。これに対して、本実施形態のように、側鎖に芳香族基を導入すれば、主鎖の柔軟性は損なわれ難いので、膜が剛直になることを抑制した上で芳香族基の露出数も保つ事ができる。
【００３６】
この非共役高分子は、側鎖に芳香族基を有する置換基を持つ繰り返し単位（以下、Ａ）によってのみ表される重合体であってもよいし、繰り返し単位Ａと、芳香族基を有する置換基を側鎖に持たない繰り返し単位（以下、Ｂ）との共重合体であってもよい。繰り返し単位Ａのみによって表される重合体を用いると、芳香族基の密度を高めることができ、ＣＮＴ−ゲート絶縁膜３間の強い相互作用を期待できる。一方で、芳香族基の密度が高すぎると、ゲート絶縁膜３の柔軟性が失われる可能性もある。このような場合には、繰り返し単位Ｂとの共重合体とすることで、芳香族基の密度の調整でき、柔軟性を失うことなく、ＣＮＴ−ゲート絶縁膜３間の相互作用を働かせることができる。但し、共重合体とする場合、繰り返し単位Ａは、繰り返し単位Ｂに対して、モル比で５倍以上含有されていることが好ましい。繰り返し単位Ａのモル含有比が５倍よりも少なくなると、芳香族基の密度が低くなり過ぎ、ＣＮＴ−ゲート絶縁膜３間の相互作用が十分に得られ難い。
【００３７】
尚、繰り返し単位Ａの側鎖中には、複数の芳香族基が含まれていてもよい。さらには、側鎖が複数ある場合には、複数の側鎖の各々に芳香族基が含まれていてもよい。また、共重合体にする場合、複数種類の繰り返し単位Ａを有していてもよいし、複数種類の繰り返し単位Ｂを有していてもよい。
【００３８】
上記の繰り返し単位Ａ、繰り返し単位Ｂについてより具体的に説明する。
【００３９】
繰り返し単位Ａとしては、下記構造式（１）で表される骨格を用いることが好ましい。
【化３】
式（１）中、Ｒ１は主鎖構造、Ｘは連結基又は単結合、Ａｒは芳香族基、ｎは正の整数を示す。
上記構造式（１）で示されるように、側鎖（Ｘ−Ａｒ）において、連結基Ｘの末端に芳香族基が位置することで、芳香族基が非共役高分子の表面に露出し易くなり、ＣＮＴ−ゲート絶縁膜３間の相互作用を期待できる。
【００４０】
上式３に示される繰り返し単位Ａの具体例としては、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエチレン骨格、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエステル骨格、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエーテル骨格、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリアミド骨格、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエチレンスルフィド骨格、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換シロキサンポリマー骨格などが挙げられる。また、上記の（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエステル骨格としては、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエチレンテレフタレート骨格が挙げられる。これらの中でも、下記構造式（２）で示される、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエチレン骨格は、樹脂加工（合成）の行いやすさ、価格、の観点から、より好ましく用いることができる。
【化４】
式中、Ｘは連結基、Ａｒは芳香族環、ｎは正の整数を示す。
また、耐熱性及び耐電気耐性の観点からは、ポリアミド骨格を有するものがより好ましい。但し、主鎖が共役構造を持たないものであれば、上記の骨格に限定されるものではない。
【００４１】
尚、非共役高分子が共重合体である場合の繰り返し単位Ｂとしては、下記構造式（３）で表される骨格を用いることが好ましい。
【化５】
式中、Ｒ２は主鎖構造、ｍは正の整数を示す。
Ｒ２の主鎖構造については、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入されていない他は、繰り返し単位Ａの段で記載したのと同じ骨格を用いることができる。
【００４２】
続いて、芳香族基Ａｒについて説明する。上記構造式（１）及び（２）において、Ａｒで表される芳香族基の例としては、芳香族炭素環を有する基、芳香族複素環を有する基のいずれも用いる事ができる。但し、入手のし易さなどの観点から、芳香族炭素環を有する基を用いる事が好ましい。その芳香族炭素環を有する基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アンスリル基、フェナンスリル基、ピレニル基、テトラセニル基、ペンタセニル基、ペリレニル基等の炭素数６〜２０の芳香族炭化水素、これらの一部の原子が置換基により置換された置換体、を挙げる事ができる。これらの中でも、フェニル基は、非共役高分子を合成する際における合成反応の行い易さから、さらに好ましい。また、その芳香族複素環を有する基としては、例えば、ピロリル基、チオフェニル基、ピリジニル基、ピラジニル基、インドリル基、イソインドリル基、フリル基、ベンゾフラニル基、イソベンゾフラニル基、キノリル基、イソキノリル基、キノキサリニル基、フェナンスリジニル基、フェノキサジニル基、オキサゾリル基、等の炭素数４〜２０の芳香族複素環基、これらの一部の原子が置換基により置換された置換体を挙げる事ができる。
【００４３】
続いて、連結基Ｘについて説明する。上記構造式（１）及び（２）において、Ｘで表される連結基としては単結合、エステル結合、アミド結合、エーテル結合、スルフィド結合、スルホン酸エステル結合、炭素数１〜２０のアルキレン基及び分岐アルキレン基、炭素数１〜２０のアルケニレン基等の他、これらを複数組み合わせたもの等を挙げる事ができる。但し、主鎖骨格と芳香族環とを連結することができれば、特にこれらに限定されるものではない。
【００４４】
上記の繰り返し単位Ａ、繰り返し単位Ｂのそれぞれは、芳香族基を含む側鎖とは別の側鎖を有していてもよい。例えば、炭素数１〜１２のアルキル基、アルキルオキシ基、アルキルカルボキシル基、アルキルカルボニルアミノ基、ハロゲン等の置換基を有していてもよい。
【００４５】
以上説明した非共役高分子として、より具体的には、ポリスチレン及びポリ桂皮酸ビニルが、入手のしやすさ等の観点から特に好ましい。
【００４６】
ゲート絶縁膜３の説明を続ける。ゲート絶縁膜３の膜厚は特に制限されるものではないが、薄すぎるとゲート電極と他の電極間のリーク電流を効果的に抑制することが困難となり、厚すぎるとゲートバイアス電圧による活性層のスイッチング現象を効果的に制御できなくなることから、０．０１〜１μｍの範囲が好ましい。
【００４７】
尚、ゲート絶縁膜３は、単層膜であっても、２層以上の層が積層した積層膜であってもよい。プロセス簡素化の観点からは、単層膜であることが望ましいが、スイッチング素子の低駆動電圧化等の観点からは、図１Ｂに示されているように、上述した非共役高分子を含む層（第１ゲート絶縁膜層３１）と、高誘電率材料からなる絶縁層（第２ゲート絶縁膜層３２）とが積層した積層膜の方が好ましい場合もある。ただし、積層膜とした場合、ＣＮＴとの相互作用を働かせる為には、非共役高分子を含む層が活性層６に接する位置に配置される必要がある。第２ゲート絶縁膜層３２に用いられる材料の例としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、アルミナ等の汎用的に用いられる無機絶縁体や、酸化チタン、酸化タングステン、及び酸化タンタルなどの高誘電率材料などが挙げられる。また、ポリエチレンナフタレートやポリエチレンテレフタレート等の絶縁性ポリマー等も使用が可能である。但し、第１ゲート絶縁膜層３１の作成プロセスが湿式法である場合には、積層構造を形成するために、第１、第２の絶縁膜層材料はそれぞれ適切な耐溶媒性を有している事が必要となる。このため、これらの要請を満たす組み合わせが選択される。
【００４８】
続いて、本実施形態に係るスイッチング素子１０の製造方法について説明する。まず、支持基板１を準備し、支持基板１上にゲート電極２を形成する。ゲート電極２の形成方法は特に限定されず、従来公知の真空蒸着法、スピンコーティング法、スパッタリング法、ＣＶＤ法の他、塗布法や塗布焼結法等、一般的な薄膜形成法を用いることが可能である。
【００４９】
次に、ゲート電極２を被覆するように、ゲート絶縁膜３が形成される。ゲート絶縁膜３の形成方法は、特に限定されない。但し、予め非共役高分子を含む溶液を準備しておき、これを支持基板１上の所定の位置に塗布して乾燥させる方法を用いることが好ましい。尚、ゲート絶縁膜３を積層膜として形成する場合には、まず第２ゲート絶縁膜層３２を形成した後、第２ゲート絶縁膜層３２上に非共役高分子を含む第１ゲート絶縁膜層３１を形成させる。
【００５０】
次に、ソース電極４及びドレイン電極５を形成する。ゲート電極２の形成時と同様に、ソース電極４及びドレイン電極の形成方法も特に限定されない。従来公知の真空蒸着法、スピンコーティング法、スパッタリング法、ＣＶＤ法の他、塗布法や塗布焼結法等、一般的な薄膜形成法を用いることが可能である。
【００５１】
次に、ＣＮＴを含む活性層６を、ゲート絶縁膜３、ソース電極４、ドレイン電極５の全てに接するように形成する。この時、ＣＮＴのπ電子雲と、ゲート絶縁膜３に含まれる非共有高分子の側鎖の芳香族基のπ電子雲との間に相互作用が働くので、ＣＮＴを容易にゲート絶縁膜３に定着させる事ができる。
【００５２】
尚、ＣＮＴを活性層６に分散させる手法としては、特に限定されない。例えば、溶媒中に分散させた後に分散液を塗布あるいは散布する湿式法や、凝集を解いたＣＮＴを担体ガスの気流で運搬し配置面上に散布する乾式法等を用いる事ができる。これらの手法は、ＣＶＤ法等を用いる場合と比較して、必ずしもプロセス温度を高くする必要がないので、支持基板１に求められる耐熱性の要求を低くする事ができる。従って、支持基板１の選定幅を広げる事ができる。また、これらの手法のうち、湿式法は乾式法に比べプロセスが容易なことや、用いるＣＮＴのロスが少ないため、より好ましい。湿式法でＣＮＴを分散させる液体分散媒の例としては、水の他、アルコール、エーテル、エステル、アルキルアミド、脂肪族炭化水素、芳香族化合物等の一般的な有機溶媒が挙げられるがこれに限定されるものではない。分散させる手法としては、攪拌、ミリング等の混練法の他、超音波照射など一般的な顔料等の分散工程に用いられる手法であればいかなる手法でも用いることができる。また、分散の促進、保持のために適切な界面活性剤あるいはバインダを添加してもよい。ＣＮＴの分散液を塗布、散布する手法としてはスピンコート、ブレードコートなどの成膜法のほかインクジェット法等の印刷法も用いることができる。
【００５３】
以上説明した工程を経て、本発明にかかるスイッチング素子１０が製造される。本実施形態によれば、ゲート絶縁膜３として、側鎖に芳香族基を有する非共役系高分子を用いているので、ＣＮＴ−ゲート絶縁膜３の相互作用を高めることができる。これにより、活性層６形成時に、ＣＮＴが脱落するなどして不足することが防止できる。その結果、スイッチング素子のスイッチング特性のばらつき低下を抑制し、アレイ化した際の歩留まりを向上させることができる。
【００５４】
（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図２Ａは、本実施形態に係るスイッチング素子１０の概略断面図である。図２Ａに示されるように、本実施形態に係るスイッチング素子１０は、支持基板１と、支持基板１上にチャネル長に応じた距離を隔てて配置されたソース電極４及びドレイン電極５と、これらに接するように形成された活性層６と、ソース電極４、ドレイン電極５、及び活性層６上に形成されたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に形成されたゲート電極２と、を有している。すなわち、本実施形態に係るスイッチング素子１０は、活性層６を挟んで支持基板１の反対側にゲート電極２が存在するトップコンタクト構造となっている。尚、支持基板１、ソース電極４、ドレイン電極５、活性層６、ゲート絶縁膜３、及びゲート電極２の材質自体は、第１の実施形態と同じものを使用することができるので、説明を省略する。
【００５５】
本実施形態に係るスイッチング素子１０を製造するにあたっては、まず、支持基板１を準備する。そして、支持基板１上に、チャネル長に応じた距離を隔ててソース電極４及びドレイン電極５を配置する。更に、ソース電極４及びドレイン電極５の双方に接するように、活性層６を形成する。更に、ソース電極４、ドレイン電極５、及び活性層６の上に、ゲート絶縁膜３を形成する。更に、ゲート絶縁膜３上にゲート電極２を形成し、スイッチング素子１０が製造される。
【００５６】
これらのソース電極４、ドレイン電極５、ゲート電極２、活性層６、及びゲート絶縁膜３の具体的な形成方法は、特に限定されず、第１の実施形態と同様の手法を用いる事ができる。尚、ゲート絶縁膜３として積層膜を用いる場合には、図２Ｂに示されているように、非共役高分子を含む層（第１ゲート絶縁膜層３１）を活性層６側とする為に、まず第１ゲート絶縁膜層３１を形成し、その後に第２ゲート絶縁膜層３２を第１ゲート絶縁膜層３１上に形成する。
【００５７】
本実施形態のように、トップコンタクト構造のスイッチング素子１０に対しても、ゲート絶縁膜３が側鎖に芳香族基を有する非共役高分子を含んでいることで、ゲート絶縁膜３−活性層６間に相互作用を働かせる事ができる。これにより、活性層６−ゲート絶縁膜３界面の不安定化を抑制し、素子特性の経時変化を防止する事ができる。
【００５８】
以下、本発明の作用をより具体的に説明する為、本発明者らによって行われた実験及びその結果について説明する。
【００５９】
（実施例１）
実施例１のスイッチング素子１０の製造方法について説明する。この実施例１のスイッチング素子１０の構造は、図１Ａに示したものと同様である。まず、０．５ｍｍ厚のポリエチレンナフタレート基板を支持基板１とし、この基板上に、スパッタリング法によりシャドウマスクを通しアルミニウムをゲート電極２として１００ｎｍ成膜した。次に、ゲート絶縁膜３として、ポリスチレン（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のキシレン溶液をスピンコート法により塗布し、１２０℃で乾燥して１００ｎｍの膜厚に成膜した。その上にソース電極４、ドレイン電極５として金を真空蒸着法によりシャドウマスクを通して６０ｎｍの膜厚に形成した。ここで形成された電極構造のチャネル幅は２００μｍ、チャネル長は５０μｍである。
【００６０】
ＣＮＴとしてＳＷＮＴを準備し、このＳＷＮＴをドデシルスルホン酸ナトリウムの０．０１％水溶液に加え３０分間の超音波処理により分散させた分散液を用意した。用意した分散液を、スピンコート法で１０００ＲＰＭにてソース、ドレイン電極の形成された基板上に塗布した。そして、１２０℃にて３０分加熱して溶媒を除去した。これにより、ＣＮＴ分散膜によって活性層６の形成されたスイッチング素子１０を得た。
【００６１】
上述のような方法により、スイッチング素子１０を３０個作成し、得られたスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定した。その結果、オン／オフ比（オン時；ゲート電圧＝−１０Ｖ、オフ時；ゲート電圧＝＋１０Ｖでのソースドレインバイアス−４Ｖの際のソース−ドレイン間電流の比とする。以下同様）はいずれもおよそ１０３、オン時の電流値は最頻値が５０±５μＡで、この値の５０％以下のオン電流値を示したスイッチング素子１０は１個であった。
【００６２】
（実施例２）
実施例２のスイッチング素子１０は、図２Ａに示されるようなボトムコンタクト構造である。まず、０．５ｍｍ厚のポリエチレンナフタレート基板（支持基板１）上に、真空蒸着法によりシャドウマスクを通して金を６０ｎｍの膜厚に成膜し、ソース電極４、ドレイン電極５とした。ここで形成された電極構造のチャネル幅は１００μｍ、チャネル長は５０μｍである。その上にＳＷＮＴ（ＣＮＴ）をジクロロエタン中１時間超音波処理して作成したＣＮＴ分散液をブレードコート法により塗布した。そして、１００℃にて１０分間加熱して溶媒を除去し、ＣＮＴ分散膜による活性層６を形成した。さらにその上に、ポリスチレン（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のキシレン溶液をスピンコート法により塗布した。その後、１２０℃で３０分加熱し、溶媒を除去して１２０ｎｍの膜厚に成膜しゲート絶縁膜３とした。この上にゲート電極２としてアルミニウムを真空蒸着法によりシャドウマスクを通して１００ｎｍの膜厚に成膜し、実施例２のスイッチング素子１０を得た。
【００６３】
こうして得られた実施例２のスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定したところ、オン／オフ比はおよそ７．６×１０２、オン時の電流値は１５μＡであった。このスイッチング素子１０を乾燥空気中に２０日間放置した後、再度その特性を測定したところオン／オフ比は７．４×１０２、オン時の電流値は１３μＡであった。
【００６４】
（実施例３）
実施例１と同様に、実施例３のスイッチング素子１０を３０個作製した。但し、ゲート絶縁膜３を形成するのに用いる材料として、ポリケイ皮酸ビニル（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶液を用いた。
【００６５】
実施例３のスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定したところオン／オフ比はおよそ１０３、オン時の電流値は最頻値が８０±８μＡでこの値の５０％以下のオン電流値を示した素子はなかった。
【００６６】
（実施例４）
実施例２と同様に、実施例４のスイッチング素子１０を作製した。但し、ゲート絶縁膜３を形成するのに用いる材料として、ポリケイ皮酸ビニル（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶液を用いた。
【００６７】
実施例４のスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定したところ、オン／オフ比はおよそ７．４×１０２、オン時の電流値は１６μＡであった。このスイッチング素子１０を乾燥空気中に２０日間放置した後再度その特性を測定したところ、オン／オフ比は７．３×１０２、オン時の電流値は１５μＡであった。
【００６８】
（実施例５）
実施例１と同様に、スイッチング素子１０を作製した。但し、ゲート絶縁膜３を２層構造とした。すなわち、ゲート絶縁膜３を形成するに際し、ゲート電極２を形成した支持基板１上に、スパッタリング法により酸化タンタルを７０ｎｍの膜厚に形成して第２ゲート絶縁膜層３２とした。その後、ポリスチレン（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のキシレン溶液をスピンコート法により塗布、１２０℃で３０分加熱して膜厚３０ｎｍの第１ゲート絶縁膜層３１とした。
【００６９】
実施例５のスイッチング素子を３０個作成し、得られたスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定した。その結果、オン／オフ比はおよそ７×１０３、オン時の電流値は最頻値が１５０±１５μＡでこの値の５０％以下のオン電流値を示した素子は１個であった。
【００７０】
（実施例６）
実施例２と同様に、スイッチング素子を作製した。但し、ゲート絶縁膜３を２層構造とした。すなわち、ゲート絶縁膜３を形成する際にポリスチレン（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のキシレン溶液をスピンコート法により塗布、１２０℃で３０分加熱して膜厚５０ｎｍの第１ゲート絶縁膜層３１とした後、スパッタリング法により酸化タンタルを５０ｎｍの膜厚に形成して第２ゲート絶縁膜層３２とした。
【００７１】
実施例６のスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定したところ、オン／オフ比はおよそ５．５×１０３、オン時の電流値は１９μＡであった。この素子を乾燥空気中に２０日間放置した後再度その特性を測定したところ、オン／オフ比は５．３×１０３、オン時の電流値は１７μＡであった。
【００７２】
（比較例１）
実施例１と同様に、比較例１のスイッチング素子を３０個作製した。但し、ゲート絶縁膜３に用いる材料として、ポリプロピレン溶液を用いた。ポリプロピレンは、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子ではない。
【００７３】
比較例１のスイッチング素子のトランジスタ特性を測定したところ、オン／オフ比はおよそ１０３、オン時の電流値は最頻値が８±１μＡでこの５０％以下のオン電流値を示した素子は６個であった。
【００７４】
（比較例２）
比較例１と同様に、比較例２のスイッチング素子を３０個作製した。但し、活性層６の形成時に、ＣＮＴ分散液のスピンコート法による塗布工程を５回繰り返した。
【００７５】
比較例２のスイッチング素子のトランジスタ特性を測定したところオン／オフ比はおよそ１０３、オン時の電流値は最頻値が４０±４μＡでこの値の５０％以下のオン電流値を示したスイッチング素子は２個であった。
【００７６】
（比較例３）
実施例２と同様に、比較例３のスイッチング素子を作製した。但し、ゲート絶縁膜３に用いる材料として、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子ではないポリプロピレンを用いた。
【００７７】
比較例３のスイッチング素子のトランジスタ特性を測定したところ、オン／オフ比は７．５×１０２、オン時の電流値は１４μＡであった。この素子を乾燥空気中に２０日間放置した後再度その特性を測定したところ、オン／オフ比は２．７×１０２、オン時の電流値は１０μＡであった。
【００７８】
（結果の比較）
実施例１、３、５のスイッチング素子１０は、比較例１のスイッチング素子に比較して、オン時の電流値の最頻値が高く、最頻値の５０％以下のオン電流値を示す素子の数も少なかった。この事から、実施例１及び３のスイッチング素子は、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子をゲート絶縁膜として用いる事により、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子をゲート絶縁膜として用いない場合（比較例１）よりも、安定したスイッチング特性を与える事がわかった。
【００７９】
また、実施例１、３、５のスイッチング素子１０は、活性層６を形成する際に塗工回数を増やした比較例２と比較しても、オン時の電流値の最頻値が高く、最頻値の５０％以下のオン電流値を示す素子の数も少なかった。比較例２では、塗工回数を増やしているので、活性層６として固定されるＣＮＴの量は増えていると予想されるにも関わらず、実施例１、３、５の方が安定したスイッチング特性を与えている。従って、実施例１、３、５のように、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子をゲート絶縁膜３に用いることが、比較例２のように塗工回数を増やすことよりも、スイッチング特性向上の観点からさらに好ましいことがわかった。
【００８０】
また、実施例２、４、６のスイッチング素子は、同様にトップコンタクト構造である比較例３のスイッチング素子よりも、スイッチング特性の経時変化が少なかった。このことから、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子をゲート絶縁膜３に用いる事で、ゲート絶縁膜−活性層６間の相互作用が増大し、界面における不安定化を防止できることがわかった。
【符号の説明】
【００８１】
１ ：支持基板
２ ：ゲート電極
３ ：ゲート絶縁膜
４ ：ソース電極
５ ：ドレイン電極
６ ：活性層
１０ ：スイッチング素子
３１ ：第１ゲート絶縁膜層
３２ ：第２ゲート絶縁膜層
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００７年３月２日に出願された、日本特許出願（出願番号：特願２００７−０５３５１２）に基づくものであり、且つ、当該日本特許出願からの優先権の利益を主張するものであり、当該日本特許出願の開示の全体は、参照することをもって本出願に組み込まれる。
【０００２】
本発明はカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと記載することがある）を活性層に用いたスイッチング素子に関する。
【背景技術】
【０００３】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、液晶ディスプレイやＥＬディスプレイなどの表示装置用の画素スイッチング素子として、広く用いられている。また近年では、画素アレイのドライバ回路もＴＦＴによって同一基板上に形成される例が増えている。従来、こうしたＴＦＴはアモルファスや多結晶のシリコンを用いてガラス基板上に作成されていた。
【０００４】
こうしたシリコンを用いたＴＦＴの作成に用いられるＣＶＤ装置は非常に高額であり、ＴＦＴを用いた表示装置などの大面積化は製造コストの大幅な増加を伴う。またアモルファスや多結晶のシリコンを成膜するプロセスは極めて高い温度で行われるため、基板として使用可能なのは、ガラス基板などの耐熱性の高い材料に限られている。
【０００５】
このような背景から、ＣＮＴを活性層として用いたＴＦＴが提唱されている。ＣＮＴを用いたＴＦＴの作製方法として、ＣＮＴを分散させたＣＮＴ分散液を基板上に塗布して乾燥させる塗布法等のウエットプロセスが知られている。このようなウェットプロセスは、ＣＶＤ装置等の高価な装置を必要とせず、また、大面積化が安価に実現可能である。更には、そのプロセス温度が低いことから、基板として用いる材料を選択する際の制限が少な
いといった利点も有している。このようなＣＮＴ分散膜を用いたＴＦＴについては、下記の先行文献（１）〜（６）に開示されている：
（１）E.S.
Snow, J. P. Novak, P. M. Campbell, D. Park, "Random networks of carbon
nanotubes as an electronic material, Applied Physics Letters, vol. 82, No. 13,
p.p. 2145-2147 (2003)
（２）E.
Artukovic, M. Kaempgen, D. S. Hecht, S. Roth, G. Gruener, "Transparent and
Flexible Carbon Nanotube Transistors", Nano Letters, vol. 5, No. 4, p.
757-760 (2005)
（３）S.-H.
Hur, O. O. Park, J. A. Rogers, "Extreme bendability of single-walled
carbon nanotube networks transferred from high-temperature growth substrates to
plastic and their use in thin-film transistors", Applied Physics Letters,
vol. 86, p. 243502 (2005)
（４）T.
Takenobu, T. Takahashi, T. Kanbara, K. Tsukagoshi, Y. Aoyagi, Y. Iwasa,
"High-performance transparent flexible transistors using carbon nanotube
films", Applied Physics Letters, vol. 88, p. 33511 (2006)
（５）特開２００５−３４７３７８号 公報
（６）特開２００６−７３７７４号 公報
【０００６】
ところで、活性層がゲート絶縁膜に接して設けられる構造のＴＦＴの場合、活性層としてＣＮＴを用いると、ＣＮＴはゲート絶縁膜と接する事になる。ゲート絶縁膜としては、例えば先行文献（２）に開示されているように、ポリエステル、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアセテート、ポリイミド、あるいはそれらの誘電体から選択される高分子材料を用いることが知られている。
【０００７】
しかしながら、従来のゲート絶縁膜を用いて、ＣＮＴを含む活性層をゲート絶縁膜に接するように形成しようとすると、ゲート絶縁膜とＣＮＴとの相互作用が十分に得られない事があった。例えば、ゲート絶縁膜上に、ＣＮＴを含む分散液を塗布、乾燥させてＴＦＴを作製しようとする場合、分散液中のＣＮＴとゲート絶縁膜表面との相互作用が不十分となり、活性層として固定されるＣＮＴの量が不足して、十分な密度、均一性が得られないことがあった。このような活性層におけるＣＮＴ付着量の不均一性は、素子のスイッチング特性のばらつきを引き起こし、アレイ化した際の歩留まりを大きく低下させる。これを解決する手段としてチャネル領域をメルカプトピリジン等による芳香族チオールで表面処理し、高い密度でＣＮＴを定着させることも行われている。しかし、余分な表面処理工程が必要である、チャネル領域以外の場所への付着を抑えるためにパターニング工程の追加が必要となるなど、製造プロセスが複雑化し、コストの上昇要因となってしまう。
【０００８】
また、予めＣＮＴを含む活性層を設けておき、その上にゲート絶縁膜を形成した場合でも、ＣＮＴとゲート絶縁膜の相互作用が不足していれば、活性層―ゲート絶縁膜界面の不安定化の原因となり、素子特性の経時変化をもたらす要因の一つとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−３４７３７８号公報
【特許文献２】特開２００６−７３７７４号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】E.S. Snow, J. P. Novak, P. M. Campbell,D. Park, "Random networks of carbon nanotubes as an electronic material, AppliedPhysics Letters, vol. 82, No. 13, p.p. 2145-2147 (2003)
【非特許文献２】E. Artukovic, M. Kaempgen, D. S. Hecht, S. Roth, G. Gruener,"Transparent and Flexible Carbon Nanotube Transistors", Nano Letters,vol. 5, No. 4, p. 757-760 (2005)
【非特許文献３】S.-H. Hur, O. O. Park, J. A. Rogers, "Extreme bendability ofsingle-walled carbon nanotube networks transferred from high-temperature growthsubstrates to plastic and their use in thin-film transistors", AppliedPhysics Letters, vol. 86, p. 243502 (2005)
【非特許文献４】T. Takenobu, T. Takahashi, T. Kanbara, K. Tsukagoshi, Y. Aoyagi, Y.Iwasa, "High-performance transparent flexible transistors using carbonnanotube films", Applied Physics Letters, vol. 88, p. 33511 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、ＣＮＴとゲート絶縁膜との相互作用を高め、良好かつ安定したトランジスタ特性を示すスイッチング素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一の観点においては、スイッチング素子が、ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜に接して形成された活性層と、を具備する。活性層は、カーボンナノチューブを含んでいる。ゲート絶縁膜は、側鎖に芳香族環を有する非共役高分子（non-conjugated polymer）を含んでいる。
【００１３】
本願発明者らは、前述の課題解決のため鋭意検討を重ねた結果、上記のように、側鎖に芳香族環を含有する非共役高分子によりゲート絶縁膜を形成することにより、ゲート絶縁膜表面とＣＮＴとの間の相互作用を増強できることを見出した。これにより、低温、簡便、安価なプロセスで良好かつ安定したトランジスタ特性を示すスイッチング素子を得る事ができる。
【００１４】
上記のスイッチング素子において、ゲート絶縁膜の膜厚が、０．０１〜１．００μｍであることが好ましい。０．０１μｍより薄いと、リーク電流を効果的に抑制することが困難となり、１．０μｍより厚いと、ゲートバイアス電圧による活性層のスイッチング現象を効果的に制御するのが難しくなる。
【００１５】
上記のスイッチング素子において、一の観点から、ゲート絶縁膜は、単層膜により形成されていることが好ましい。他の一観点からは、ゲート絶縁膜が、活性層に接する第１ゲート絶縁膜層と、活性層に接しない第２ゲート絶縁膜層とを有し、その非共役高分子は、第１ゲート絶縁膜層に含まれていることが好ましい。このように、ゲート絶縁膜を２層構造としてもよい。２層構造の場合、活性層に接する層（第１ゲート絶縁層）中に、上記の非共役高分子が含まれていれば、ＣＮＴとゲート絶縁膜との相互作用を高めることができる。
【００１６】
上記のスイッチング素子において、一観点からは、その非共役高分子は、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａからなる重合体であることが好ましい。また、他の一観点からは、その非共役高分子が、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａと、芳香族環を有する側鎖を有さない少なくとも１種類の繰り返し単位Ｂとからなる共重合体であり、その繰り返し単位Ａは、その繰り返し単位Ｂに対して、モル比にして５倍以上の割合で含まれていることが好ましい。繰り返し単位Ａのみからなる重合体とすれば、芳香族環の密度が高くなり、ゲート絶縁膜−活性層間の相互作用を高めることができる。一方、側鎖に芳香族環を有する繰り返し単位Ａのみでなく、芳香族環を有する側鎖を持たない繰り返し単位Ｂをも導入すれば、芳香族環の存在により非共役高分子が剛直になってしまうことを防止することができる。尚、繰り返し単位Ａの含有量が、繰り返し単位Ｂの含有量に対して、モル比で５倍より少なくなると、芳香族環の密度が不十分となり、ゲート絶縁膜−ＣＮＴ間の相互作用も不十分となる傾向にある。
【００１７】
上記のスイッチング素子において、その非共役高分子は、下記構造式：
【化１】
で表される置換ポリエチレン骨格を繰り返し単位として含むことが好ましい。但し、式中、Ｘは連結基又は単結合、Ａｒは芳香族環を有する芳香族基、ｎは正の整数を示す。このような置換ポリエチレン骨格を有する非共役高分子は、樹脂加工が行いやすく、安価である。したがって、所望の構造を有する非共役高分子を、安価に得る事ができる。
【００１８】
上記のスイッチング素子において、その芳香族環は、芳香族炭素環であることが好ましい。
【００１９】
本発明の他の観点においては、スイッチング素子の製造方法が、ゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜と接する様に活性層を形成する工程とを具備する。ゲート絶縁膜は、側鎖に芳香族環を有する非共役高分子を含む。活性層は、カーボンナノチューブを含む。
【００２０】
上記のスイッチング素子の製造方法において、一実施形態では、前記ゲート絶縁膜が基板の上に形成され、前記活性層の形成は、前記ゲート絶縁膜の形成の後に行われる。この場合、前記活性層を形成する工程は、ゲート絶縁膜上に、カーボンナノチューブの分散したカーボンナノチューブ分散液を塗布する工程と、塗布されたカーボンナノチューブ分散液を乾燥させる工程とを含むことが好ましい。また、前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、非共役高分子を含む溶液を前記基板上に塗布する工程と、塗布された溶液を乾燥させる工程と、を含むことが好ましい。
【００２１】
別の実施形態では、前記活性層が基板の上に形成され、前記ゲート絶縁膜の形成は、前記活性層の形成の後に行われる。この場合、前記活性層形成工程は、基板上に、カーボンナノチューブの分散したカーボンナノチューブ分散液を塗布する工程と、塗布された前記カーボンナノチューブ分散液を乾燥させる工程と、を含むことが好ましい。また、前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、非共役高分子を含む溶液を前記基板上に塗布する工程と、塗布された溶液を乾燥させる工程と、を含むことが好ましい。
【００２２】
上記のスイッチング素子の製造方法において、一観点からは、その非共役高分子が、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａからなる重合体であることが好ましい。また、他の一観点からは、その非共役高分子が、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａと、芳香族環を有する側鎖を有さない少なくとも１種類の繰り返し単位Ｂとからなる共重合体であり、その繰り返し単位Ａは、その繰り返し単位Ｂに対して、モル比にして５倍以上の割合で含まれていることが好ましい。
【００２３】
上記のスイッチング素子の製造方法において、その非共役高分子は、下記構造式：
【化２】
で表される置換ポリエチレン骨格を繰り返し単位として含むことが好ましい。但し、式中、Ｘは連結基又は単結合、Ａｒは芳香族環を有する芳香族基、ｎは正の整数を示す。
【００２４】
上記のスイッチング素子において、その芳香族環は、芳香族炭素環であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ＣＮＴとゲート絶縁膜との相互作用を高め、良好かつ安定したトランジスタ特性を示すスイッチング素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】第１の実施形態のスイッチング素子の構造を示す概略断面図である。
【図１Ｂ】第１の実施形態のスイッチング素子の他の構造を示す概略断面図である。
【図２Ａ】第２の実施形態のスイッチング素子の構造を示す概略断面図である。
【図２Ｂ】第２の実施形態のスイッチング素子の他の構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１の実施形態に係るスイッチング素子１０の構成について説明する。
【００２８】
図１Ａは、本発明のスイッチング素子１０の構成を示す概略断面図である。図１Ａに示されるように、このスイッチング素子１０は、支持基板１と、支持基板１上に形成されたゲート電極２と、ゲート電極２を被覆するようにして支持基板１上に設けられたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に、チャネル長に応じた距離を隔てて設けられたソース電極４及びドレイン電極５と、ゲート絶縁膜３、ソース電極４、及びドレイン電極５の全てに接するよう設けられた活性層６と、を有している。このように、本実施形態にかかるスイッチング素子１０は、いわゆるボトムコンタクト型の薄膜トランジスタである。
【００２９】
支持基板１の材質は特に限定されない。例えば、ガラス、石英、シリコンウェハなどの無機材料や、ポリエチレンスルフィド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエチレン系樹脂の他、ポリアミド系、ポリカーボネート系などの高分子材料などを用いる事ができる。このように、支持基板１の材質が特に限定されないのは、後述するように、本発明にかかるスイッチング素子１０を製造するにあたって高いプロセス温度を必要としないからである。
【００３０】
ソース電極４、ドレイン電極５、及びゲート電極２の各電極の材料としては、十分な導電性を有するものであれば特に限定されない。但し、電荷注入電極として作用する電極はＣＮＴへの電荷注入特性に優れたものがより望ましい。このようなものとしては、例えば、酸化インジウム錫合金（ＩＴＯ）、酸化錫（ＮＥＳＡ）、金、銀、白金、銅、インジウム、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム−インジウム合金、マグネシウム−アルミニウム合金、アルミニウム−リチウム合金、アルミニウム−スカンジウム−リチウム合金、マグネシウム−銀合金等の金属や合金、あるいはこれらの酸化物の他、導電性ポリマーなどの有機材料を挙げることができる。
【００３１】
活性層６には、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の分散した膜（以下、ＣＮＴ分散膜と記載することがある）が含まれている。活性層６に用いられるＣＮＴは、ＣＮＴ分散膜として十分な半導体特性を示すものであれば、特に限定されるものではない。ＣＮＴを製造する方法としては、例えば、アーク放電法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法などの公知の方法を用いることができる。ＣＮＴには元来、単一の炭素層からなるシングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）と、複数の炭素層からなるマルチウォールナノチューブ（ＭＷＮＴ）の２種が知られている。ＳＷＮＴは半導体特性を示すものと導電体的性質を有するものが存在し、ＭＷＮＴはこれらがランダムに組み合わされて形成される。導電体的性質を示すＣＮＴがＣＮＴ分散膜中に存在した場合、オフ電流を上昇させる要因となりうることから、低消費電力が求められる用途においては、ＣＮＴ分散膜中における導電体的ＣＮＴの存在率はなるべく低い方が望ましい。
【００３２】
ゲート絶縁膜３は、非共役高分子（non-conjugated polymer）を含んでいる。この非共役高分子は、主鎖と側鎖からなる構造を有している。側鎖には芳香族基が含まれ、主鎖は非共役構造となっている。
【００３３】
ゲート絶縁膜３に、このような非共役高分子を用いると、側鎖に含まれる芳香族基が薄膜形成時に特定の確率で膜表面に露出あるいは膜面からぶら下がる形状になる。そして、この芳香族基の有するπ電子雲と、活性層６に含まれるＣＮＴ表面に露出するＣＮＴのπ電子雲との間に、相互作用が働くことになる。この相互作用による引力により、ＣＮＴがゲート絶縁膜３の表面に強く定着する。従って、ゲート絶縁膜３とＣＮＴを含む活性層６との相互作用を高めることができる。
【００３４】
尚、ゲート絶縁膜３に、共役構造を有する主鎖の高分子を用いた場合、ゲート絶縁膜３全体の導電率の上昇を招いてしまい、ゲート電極と他の電極との間のリーク電流を抑制するというゲート絶縁膜３としての機能を十分に果たせなくなる。従って、主鎖は非共役構造を有している必要がある。
【００３５】
また、ゲート絶縁膜３として、芳香族基を主鎖に導入した場合、上述したようなＣＮＴとの相互作用を働かせることはできるかもしれないが、ゲート絶縁膜３の柔軟性が失われ、剛直になり易い。ゲート絶縁膜３が剛直になると、フレキシブルな基板材料の適用が困難となり、支持基板選択の自由度が大きく損なわれる。またこれを避けるために、柔軟性を有する置換基を側鎖に導入したとしても、ゲート絶縁膜３表面における芳香族基の露出数が減少してしまうので、当初の目的であるＣＮＴと絶縁膜表面との相互作用の増強効果が得られなくなる。これに対して、本実施形態のように、側鎖に芳香族基を導入すれば、主鎖の柔軟性は損なわれ難いので、膜が剛直になることを抑制した上で芳香族基の露出数も保つ事ができる。
【００３６】
この非共役高分子は、側鎖に芳香族基を有する置換基を持つ繰り返し単位（以下、Ａ）によってのみ表される重合体であってもよいし、繰り返し単位Ａと、芳香族基を有する置換基を側鎖に持たない繰り返し単位（以下、Ｂ）との共重合体であってもよい。繰り返し単位Ａのみによって表される重合体を用いると、芳香族基の密度を高めることができ、ＣＮＴ−ゲート絶縁膜３間の強い相互作用を期待できる。一方で、芳香族基の密度が高すぎると、ゲート絶縁膜３の柔軟性が失われる可能性もある。このような場合には、繰り返し単位Ｂとの共重合体とすることで、芳香族基の密度の調整でき、柔軟性を失うことなく、ＣＮＴ−ゲート絶縁膜３間の相互作用を働かせることができる。但し、共重合体とする場合、繰り返し単位Ａは、繰り返し単位Ｂに対して、モル比で５倍以上含有されていることが好ましい。繰り返し単位Ａのモル含有比が５倍よりも少なくなると、芳香族基の密度が低くなり過ぎ、ＣＮＴ−ゲート絶縁膜３間の相互作用が十分に得られ難い。
【００３７】
尚、繰り返し単位Ａの側鎖中には、複数の芳香族基が含まれていてもよい。さらには、側鎖が複数ある場合には、複数の側鎖の各々に芳香族基が含まれていてもよい。また、共重合体にする場合、複数種類の繰り返し単位Ａを有していてもよいし、複数種類の繰り返し単位Ｂを有していてもよい。
【００３８】
上記の繰り返し単位Ａ、繰り返し単位Ｂについてより具体的に説明する。
【００３９】
繰り返し単位Ａとしては、下記構造式（１）で表される骨格を用いることが好ましい。
【化３】
式（１）中、Ｒ１は主鎖構造、Ｘは連結基又は単結合、Ａｒは芳香族基、ｎは正の整数を示す。
上記構造式（１）で示されるように、側鎖（Ｘ−Ａｒ）において、連結基Ｘの末端に芳香族基が位置することで、芳香族基が非共役高分子の表面に露出し易くなり、ＣＮＴ−ゲート絶縁膜３間の相互作用を期待できる。
【００４０】
上式３に示される繰り返し単位Ａの具体例としては、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエチレン骨格、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエステル骨格、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエーテル骨格、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリアミド骨格、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエチレンスルフィド骨格、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換シロキサンポリマー骨格などが挙げられる。また、上記の（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエステル骨格としては、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエチレンテレフタレート骨格が挙げられる。これらの中でも、下記構造式（２）で示される、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入された置換ポリエチレン骨格は、樹脂加工（合成）の行いやすさ、価格、の観点から、より好ましく用いることができる。
【化４】
式中、Ｘは連結基、Ａｒは芳香族環、ｎは正の整数を示す。
また、耐熱性及び耐電気耐性の観点からは、ポリアミド骨格を有するものがより好ましい。但し、主鎖が共役構造を持たないものであれば、上記の骨格に限定されるものではない。
【００４１】
尚、非共役高分子が共重合体である場合の繰り返し単位Ｂとしては、下記構造式（３）で表される骨格を用いることが好ましい。
【化５】
式中、Ｒ２は主鎖構造、ｍは正の整数を示す。
Ｒ２の主鎖構造については、（Ｘ−Ａｒ）基が側鎖として導入されていない他は、繰り返し単位Ａの段で記載したのと同じ骨格を用いることができる。
【００４２】
続いて、芳香族基Ａｒについて説明する。上記構造式（１）及び（２）において、Ａｒで表される芳香族基の例としては、芳香族炭素環を有する基、芳香族複素環を有する基のいずれも用いる事ができる。但し、入手のし易さなどの観点から、芳香族炭素環を有する基を用いる事が好ましい。その芳香族炭素環を有する基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アンスリル基、フェナンスリル基、ピレニル基、テトラセニル基、ペンタセニル基、ペリレニル基等の炭素数６〜２０の芳香族炭化水素、これらの一部の原子が置換基により置換された置換体、を挙げる事ができる。これらの中でも、フェニル基は、非共役高分子を合成する際における合成反応の行い易さから、さらに好ましい。また、その芳香族複素環を有する基としては、例えば、ピロリル基、チオフェニル基、ピリジニル基、ピラジニル基、インドリル基、イソインドリル基、フリル基、ベンゾフラニル基、イソベンゾフラニル基、キノリル基、イソキノリル基、キノキサリニル基、フェナンスリジニル基、フェノキサジニル基、オキサゾリル基、等の炭素数４〜２０の芳香族複素環基、これらの一部の原子が置換基により置換された置換体を挙げる事ができる。
【００４３】
続いて、連結基Ｘについて説明する。上記構造式（１）及び（２）において、Ｘで表される連結基としては単結合、エステル結合、アミド結合、エーテル結合、スルフィド結合、スルホン酸エステル結合、炭素数１〜２０のアルキレン基及び分岐アルキレン基、炭素数１〜２０のアルケニレン基等の他、これらを複数組み合わせたもの等を挙げる事ができる。但し、主鎖骨格と芳香族環とを連結することができれば、特にこれらに限定されるものではない。
【００４４】
上記の繰り返し単位Ａ、繰り返し単位Ｂのそれぞれは、芳香族基を含む側鎖とは別の側鎖を有していてもよい。例えば、炭素数１〜１２のアルキル基、アルキルオキシ基、アルキルカルボキシル基、アルキルカルボニルアミノ基、ハロゲン等の置換基を有していてもよい。
【００４５】
以上説明した非共役高分子として、より具体的には、ポリスチレン及びポリ桂皮酸ビニルが、入手のしやすさ等の観点から特に好ましい。
【００４６】
ゲート絶縁膜３の説明を続ける。ゲート絶縁膜３の膜厚は特に制限されるものではないが、薄すぎるとゲート電極と他の電極間のリーク電流を効果的に抑制することが困難となり、厚すぎるとゲートバイアス電圧による活性層のスイッチング現象を効果的に制御できなくなることから、０．０１〜１μｍの範囲が好ましい。
【００４７】
尚、ゲート絶縁膜３は、単層膜であっても、２層以上の層が積層した積層膜であってもよい。プロセス簡素化の観点からは、単層膜であることが望ましいが、スイッチング素子の低駆動電圧化等の観点からは、図１Ｂに示されているように、上述した非共役高分子を含む層（第１ゲート絶縁膜層３１）と、高誘電率材料からなる絶縁層（第２ゲート絶縁膜層３２）とが積層した積層膜の方が好ましい場合もある。ただし、積層膜とした場合、ＣＮＴとの相互作用を働かせる為には、非共役高分子を含む層が活性層６に接する位置に配置される必要がある。第２ゲート絶縁膜層３２に用いられる材料の例としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、アルミナ等の汎用的に用いられる無機絶縁体や、酸化チタン、酸化タングステン、及び酸化タンタルなどの高誘電率材料などが挙げられる。また、ポリエチレンナフタレートやポリエチレンテレフタレート等の絶縁性ポリマー等も使用が可能である。但し、第１ゲート絶縁膜層３１の作成プロセスが湿式法である場合には、積層構造を形成するために、第１、第２の絶縁膜層材料はそれぞれ適切な耐溶媒性を有している事が必要となる。このため、これらの要請を満たす組み合わせが選択される。
【００４８】
続いて、本実施形態に係るスイッチング素子１０の製造方法について説明する。まず、支持基板１を準備し、支持基板１上にゲート電極２を形成する。ゲート電極２の形成方法は特に限定されず、従来公知の真空蒸着法、スピンコーティング法、スパッタリング法、ＣＶＤ法の他、塗布法や塗布焼結法等、一般的な薄膜形成法を用いることが可能である。
【００４９】
次に、ゲート電極２を被覆するように、ゲート絶縁膜３が形成される。ゲート絶縁膜３の形成方法は、特に限定されない。但し、予め非共役高分子を含む溶液を準備しておき、これを支持基板１上の所定の位置に塗布して乾燥させる方法を用いることが好ましい。尚、ゲート絶縁膜３を積層膜として形成する場合には、まず第２ゲート絶縁膜層３２を形成した後、第２ゲート絶縁膜層３２上に非共役高分子を含む第１ゲート絶縁膜層３１を形成させる。
【００５０】
次に、ソース電極４及びドレイン電極５を形成する。ゲート電極２の形成時と同様に、ソース電極４及びドレイン電極の形成方法も特に限定されない。従来公知の真空蒸着法、スピンコーティング法、スパッタリング法、ＣＶＤ法の他、塗布法や塗布焼結法等、一般的な薄膜形成法を用いることが可能である。
【００５１】
次に、ＣＮＴを含む活性層６を、ゲート絶縁膜３、ソース電極４、ドレイン電極５の全てに接するように形成する。この時、ＣＮＴのπ電子雲と、ゲート絶縁膜３に含まれる非共有高分子の側鎖の芳香族基のπ電子雲との間に相互作用が働くので、ＣＮＴを容易にゲート絶縁膜３に定着させる事ができる。
【００５２】
尚、ＣＮＴを活性層６に分散させる手法としては、特に限定されない。例えば、溶媒中に分散させた後に分散液を塗布あるいは散布する湿式法や、凝集を解いたＣＮＴを担体ガスの気流で運搬し配置面上に散布する乾式法等を用いる事ができる。これらの手法は、ＣＶＤ法等を用いる場合と比較して、必ずしもプロセス温度を高くする必要がないので、支持基板１に求められる耐熱性の要求を低くする事ができる。従って、支持基板１の選定幅を広げる事ができる。また、これらの手法のうち、湿式法は乾式法に比べプロセスが容易なことや、用いるＣＮＴのロスが少ないため、より好ましい。湿式法でＣＮＴを分散させる液体分散媒の例としては、水の他、アルコール、エーテル、エステル、アルキルアミド、脂肪族炭化水素、芳香族化合物等の一般的な有機溶媒が挙げられるがこれに限定されるものではない。分散させる手法としては、攪拌、ミリング等の混練法の他、超音波照射など一般的な顔料等の分散工程に用いられる手法であればいかなる手法でも用いることができる。また、分散の促進、保持のために適切な界面活性剤あるいはバインダを添加してもよい。ＣＮＴの分散液を塗布、散布する手法としてはスピンコート、ブレードコートなどの成膜法のほかインクジェット法等の印刷法も用いることができる。
【００５３】
以上説明した工程を経て、本発明にかかるスイッチング素子１０が製造される。本実施形態によれば、ゲート絶縁膜３として、側鎖に芳香族基を有する非共役系高分子を用いているので、ＣＮＴ−ゲート絶縁膜３の相互作用を高めることができる。これにより、活性層６形成時に、ＣＮＴが脱落するなどして不足することが防止できる。その結果、スイッチング素子のスイッチング特性のばらつき低下を抑制し、アレイ化した際の歩留まりを向上させることができる。
【００５４】
（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図２Ａは、本実施形態に係るスイッチング素子１０の概略断面図である。図２Ａに示されるように、本実施形態に係るスイッチング素子１０は、支持基板１と、支持基板１上にチャネル長に応じた距離を隔てて配置されたソース電極４及びドレイン電極５と、これらに接するように形成された活性層６と、ソース電極４、ドレイン電極５、及び活性層６上に形成されたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に形成されたゲート電極２と、を有している。すなわち、本実施形態に係るスイッチング素子１０は、活性層６を挟んで支持基板１の反対側にゲート電極２が存在するトップコンタクト構造となっている。尚、支持基板１、ソース電極４、ドレイン電極５、活性層６、ゲート絶縁膜３、及びゲート電極２の材質自体は、第１の実施形態と同じものを使用することができるので、説明を省略する。
【００５５】
本実施形態に係るスイッチング素子１０を製造するにあたっては、まず、支持基板１を準備する。そして、支持基板１上に、チャネル長に応じた距離を隔ててソース電極４及びドレイン電極５を配置する。更に、ソース電極４及びドレイン電極５の双方に接するように、活性層６を形成する。更に、ソース電極４、ドレイン電極５、及び活性層６の上に、ゲート絶縁膜３を形成する。更に、ゲート絶縁膜３上にゲート電極２を形成し、スイッチング素子１０が製造される。
【００５６】
これらのソース電極４、ドレイン電極５、ゲート電極２、活性層６、及びゲート絶縁膜３の具体的な形成方法は、特に限定されず、第１の実施形態と同様の手法を用いる事ができる。尚、ゲート絶縁膜３として積層膜を用いる場合には、図２Ｂに示されているように、非共役高分子を含む層（第１ゲート絶縁膜層３１）を活性層６側とする為に、まず第１ゲート絶縁膜層３１を形成し、その後に第２ゲート絶縁膜層３２を第１ゲート絶縁膜層３１上に形成する。
【００５７】
本実施形態のように、トップコンタクト構造のスイッチング素子１０に対しても、ゲート絶縁膜３が側鎖に芳香族基を有する非共役高分子を含んでいることで、ゲート絶縁膜３−活性層６間に相互作用を働かせる事ができる。これにより、活性層６−ゲート絶縁膜３界面の不安定化を抑制し、素子特性の経時変化を防止する事ができる。
【００５８】
以下、本発明の作用をより具体的に説明する為、本発明者らによって行われた実験及びその結果について説明する。
【００５９】
（実施例１）
実施例１のスイッチング素子１０の製造方法について説明する。この実施例１のスイッチング素子１０の構造は、図１Ａに示したものと同様である。まず、０．５ｍｍ厚のポリエチレンナフタレート基板を支持基板１とし、この基板上に、スパッタリング法によりシャドウマスクを通しアルミニウムをゲート電極２として１００ｎｍ成膜した。次に、ゲート絶縁膜３として、ポリスチレン（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のキシレン溶液をスピンコート法により塗布し、１２０℃で乾燥して１００ｎｍの膜厚に成膜した。その上にソース電極４、ドレイン電極５として金を真空蒸着法によりシャドウマスクを通して６０ｎｍの膜厚に形成した。ここで形成された電極構造のチャネル幅は２００μｍ、チャネル長は５０μｍである。
【００６０】
ＣＮＴとしてＳＷＮＴを準備し、このＳＷＮＴをドデシルスルホン酸ナトリウムの０．０１％水溶液に加え３０分間の超音波処理により分散させた分散液を用意した。用意した分散液を、スピンコート法で１０００ＲＰＭにてソース、ドレイン電極の形成された基板上に塗布した。そして、１２０℃にて３０分加熱して溶媒を除去した。これにより、ＣＮＴ分散膜によって活性層６の形成されたスイッチング素子１０を得た。
【００６１】
上述のような方法により、スイッチング素子１０を３０個作成し、得られたスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定した。その結果、オン／オフ比（オン時；ゲート電圧＝−１０Ｖ、オフ時；ゲート電圧＝＋１０Ｖでのソースドレインバイアス−４Ｖの際のソース−ドレイン間電流の比とする。以下同様）はいずれもおよそ１０３、オン時の電流値は最頻値が５０±５μＡで、この値の５０％以下のオン電流値を示したスイッチング素子１０は１個であった。
【００６２】
（実施例２）
実施例２のスイッチング素子１０は、図２Ａに示されるようなボトムコンタクト構造である。まず、０．５ｍｍ厚のポリエチレンナフタレート基板（支持基板１）上に、真空蒸着法によりシャドウマスクを通して金を６０ｎｍの膜厚に成膜し、ソース電極４、ドレイン電極５とした。ここで形成された電極構造のチャネル幅は１００μｍ、チャネル長は５０μｍである。その上にＳＷＮＴ（ＣＮＴ）をジクロロエタン中１時間超音波処理して作成したＣＮＴ分散液をブレードコート法により塗布した。そして、１００℃にて１０分間加熱して溶媒を除去し、ＣＮＴ分散膜による活性層６を形成した。さらにその上に、ポリスチレン（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のキシレン溶液をスピンコート法により塗布した。その後、１２０℃で３０分加熱し、溶媒を除去して１２０ｎｍの膜厚に成膜しゲート絶縁膜３とした。この上にゲート電極２としてアルミニウムを真空蒸着法によりシャドウマスクを通して１００ｎｍの膜厚に成膜し、実施例２のスイッチング素子１０を得た。
【００６３】
こうして得られた実施例２のスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定したところ、オン／オフ比はおよそ７．６×１０２、オン時の電流値は１５μＡであった。このスイッチング素子１０を乾燥空気中に２０日間放置した後、再度その特性を測定したところオン／オフ比は７．４×１０２、オン時の電流値は１３μＡであった。
【００６４】
（実施例３）
実施例１と同様に、実施例３のスイッチング素子１０を３０個作製した。但し、ゲート絶縁膜３を形成するのに用いる材料として、ポリケイ皮酸ビニル（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶液を用いた。
【００６５】
実施例３のスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定したところオン／オフ比はおよそ１０３、オン時の電流値は最頻値が８０±８μＡでこの値の５０％以下のオン電流値を示した素子はなかった。
【００６６】
（実施例４）
実施例２と同様に、実施例４のスイッチング素子１０を作製した。但し、ゲート絶縁膜３を形成するのに用いる材料として、ポリケイ皮酸ビニル（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶液を用いた。
【００６７】
実施例４のスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定したところ、オン／オフ比はおよそ７．４×１０２、オン時の電流値は１６μＡであった。このスイッチング素子１０を乾燥空気中に２０日間放置した後再度その特性を測定したところ、オン／オフ比は７．３×１０２、オン時の電流値は１５μＡであった。
【００６８】
（実施例５）
実施例１と同様に、スイッチング素子１０を作製した。但し、ゲート絶縁膜３を２層構造とした。すなわち、ゲート絶縁膜３を形成するに際し、ゲート電極２を形成した支持基板１上に、スパッタリング法により酸化タンタルを７０ｎｍの膜厚に形成して第２ゲート絶縁膜層３２とした。その後、ポリスチレン（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のキシレン溶液をスピンコート法により塗布、１２０℃で３０分加熱して膜厚３０ｎｍの第１ゲート絶縁膜層３１とした。
【００６９】
実施例５のスイッチング素子を３０個作成し、得られたスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定した。その結果、オン／オフ比はおよそ７×１０３、オン時の電流値は最頻値が１５０±１５μＡでこの値の５０％以下のオン電流値を示した素子は１個であった。
【００７０】
（実施例６）
実施例２と同様に、スイッチング素子を作製した。但し、ゲート絶縁膜３を２層構造とした。すなわち、ゲート絶縁膜３を形成する際にポリスチレン（側鎖に芳香族基を有する非共役高分子）のキシレン溶液をスピンコート法により塗布、１２０℃で３０分加熱して膜厚５０ｎｍの第１ゲート絶縁膜層３１とした後、スパッタリング法により酸化タンタルを５０ｎｍの膜厚に形成して第２ゲート絶縁膜層３２とした。
【００７１】
実施例６のスイッチング素子１０のトランジスタ特性を測定したところ、オン／オフ比はおよそ５．５×１０３、オン時の電流値は１９μＡであった。この素子を乾燥空気中に２０日間放置した後再度その特性を測定したところ、オン／オフ比は５．３×１０３、オン時の電流値は１７μＡであった。
【００７２】
（比較例１）
実施例１と同様に、比較例１のスイッチング素子を３０個作製した。但し、ゲート絶縁膜３に用いる材料として、ポリプロピレン溶液を用いた。ポリプロピレンは、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子ではない。
【００７３】
比較例１のスイッチング素子のトランジスタ特性を測定したところ、オン／オフ比はおよそ１０３、オン時の電流値は最頻値が８±１μＡでこの５０％以下のオン電流値を示した素子は６個であった。
【００７４】
（比較例２）
比較例１と同様に、比較例２のスイッチング素子を３０個作製した。但し、活性層６の形成時に、ＣＮＴ分散液のスピンコート法による塗布工程を５回繰り返した。
【００７５】
比較例２のスイッチング素子のトランジスタ特性を測定したところオン／オフ比はおよそ１０３、オン時の電流値は最頻値が４０±４μＡでこの値の５０％以下のオン電流値を示したスイッチング素子は２個であった。
【００７６】
（比較例３）
実施例２と同様に、比較例３のスイッチング素子を作製した。但し、ゲート絶縁膜３に用いる材料として、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子ではないポリプロピレンを用いた。
【００７７】
比較例３のスイッチング素子のトランジスタ特性を測定したところ、オン／オフ比は７．５×１０２、オン時の電流値は１４μＡであった。この素子を乾燥空気中に２０日間放置した後再度その特性を測定したところ、オン／オフ比は２．７×１０２、オン時の電流値は１０μＡであった。
【００７８】
（結果の比較）
実施例１、３、５のスイッチング素子１０は、比較例１のスイッチング素子に比較して、オン時の電流値の最頻値が高く、最頻値の５０％以下のオン電流値を示す素子の数も少なかった。この事から、実施例１及び３のスイッチング素子は、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子をゲート絶縁膜として用いる事により、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子をゲート絶縁膜として用いない場合（比較例１）よりも、安定したスイッチング特性を与える事がわかった。
【００７９】
また、実施例１、３、５のスイッチング素子１０は、活性層６を形成する際に塗工回数を増やした比較例２と比較しても、オン時の電流値の最頻値が高く、最頻値の５０％以下のオン電流値を示す素子の数も少なかった。比較例２では、塗工回数を増やしているので、活性層６として固定されるＣＮＴの量は増えていると予想されるにも関わらず、実施例１、３、５の方が安定したスイッチング特性を与えている。従って、実施例１、３、５のように、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子をゲート絶縁膜３に用いることが、比較例２のように塗工回数を増やすことよりも、スイッチング特性向上の観点からさらに好ましいことがわかった。
【００８０】
また、実施例２、４、６のスイッチング素子は、同様にトップコンタクト構造である比較例３のスイッチング素子よりも、スイッチング特性の経時変化が少なかった。このことから、側鎖に芳香族基を有する非共役高分子をゲート絶縁膜３に用いる事で、ゲート絶縁膜−活性層６間の相互作用が増大し、界面における不安定化を防止できることがわかった。
【符号の説明】
【００８１】
１ ：支持基板
２ ：ゲート電極
３ ：ゲート絶縁膜
４ ：ソース電極
５ ：ドレイン電極
６ ：活性層
１０ ：スイッチング素子
３１ ：第１ゲート絶縁膜層
３２ ：第２ゲート絶縁膜層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に接して形成された活性層と、
を具備し、
前記活性層は、カーボンナノチューブを含み、
前記ゲート絶縁膜は、前記活性層に接する第１ゲート絶縁膜層と、前記活性層に接しない第２ゲート絶縁膜層とを有し、
前記第１ゲート絶縁膜層が、側鎖に芳香族環を有する非共役高分子を含んでおり、
前記第２ゲート絶縁膜層が、前記第１ゲート絶縁膜層よりも誘電率が高い
スイッチング素子。
【請求項２】
請求項１に記載されたスイッチング素子であって、
前記ゲート絶縁膜の膜厚が、０．０１〜１．００μｍである
スイッチング素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたスイッチング素子であって、
前記非共役高分子は、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａからなる重合体である
スイッチング素子。
【請求項４】
請求項１又は２に記載されたスイッチング素子であって、
前記非共役高分子は、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａと、芳香族環を有する側鎖を有さない少なくとも１種類の繰り返し単位Ｂとを含む共重合体であり、
前記繰り返し単位Ａは、前記繰り返し単位Ｂに対して、モル比にして５倍以上の割合で含まれている
スイッチング素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載されたスイッチング素子であって、
前記非共役高分子は、下記構造式：
【化１】
で表される置換ポリエチレン骨格を繰り返し単位として含む
スイッチング素子。
但し、式中、Ｘは連結基又は単結合、Ａｒは芳香族環を有する芳香族基、ｎは正の整数を示す。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載されたスイッチング素子であって、
前記芳香族環は、芳香族炭素環である
スイッチング素子。
【請求項７】
ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜と接する様に活性層を形成する工程と、
を具備し、
前記活性層は、カーボンナノチューブを含み、
前記ゲート絶縁膜は、前記活性層に接する第１ゲート絶縁膜層と、前記活性層に接しない第２ゲート絶縁膜層とを有し、
前記第１ゲート絶縁膜層が、側鎖に芳香族環を有する非共役高分子を含んでおり、
前記第２ゲート絶縁膜層が、前記第１ゲート絶縁膜層よりも誘電率が高い
スイッチング素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜が基板の上に形成され、
前記活性層の形成は、前記ゲート絶縁膜の形成の後に行われる
スイッチング素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記活性層を形成する工程は、
前記ゲート絶縁膜上に、カーボンナノチューブの分散したカーボンナノチューブ分散液を塗布する工程と、
塗布された前記カーボンナノチューブ分散液を乾燥させる工程と、を含む
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、
前記非共役高分子を含む溶液を前記基板上に塗布する工程と、
塗布された溶液を乾燥させる工程と、を含む
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項７に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記活性層が基板の上に形成され、
前記ゲート絶縁膜の形成は、前記活性層の形成の後に行われる
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記活性層を形成する工程は、
前記基板上に、カーボンナノチューブの分散したカーボンナノチューブ分散液を塗布する工程と、
塗布された前記カーボンナノチューブ分散液を乾燥させる工程と、を含む
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、
前記非共役高分子を含む溶液を前記基板上に塗布する工程と、
塗布された溶液を乾燥させる工程と、を含む
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項７乃至１３のいずれかに記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記非共役高分子は、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａからなる重合体である
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項７乃至１３のいずれかに記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記非共役高分子は、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａと、芳香族環を有する側鎖を有さない少なくとも１種類の繰り返し単位Ｂとからなる共重合体であり、
前記繰り返し単位Ａは、前記繰り返し単位Ｂに対して、モル比にして５倍以上の割合で含まれている
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１６】
請求項７乃至１５のいずれかに記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記非共役高分子は、下記構造式：
【化２】
で表される置換ポリエチレン骨格を繰り返し単位として含む
スイッチング素子の製造方法。
但し、式中、Ｘは連結基又は単結合、Ａｒは芳香族環を有する芳香族基、ｎは正の整数を示す。
【請求項１７】
請求項７乃至１６のいずれかに記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記芳香族環は、芳香族炭素環である
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１】
ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に接して形成された活性層と、
を具備し、
前記活性層は、カーボンナノチューブを含み、
前記ゲート絶縁膜は、前記活性層に接する第１ゲート絶縁膜層と、前記活性層に接しない第２ゲート絶縁膜層とを有し、
前記第１ゲート絶縁膜層が、側鎖に芳香族環を有する非共役高分子を含んでおり、
前記第２ゲート絶縁膜層が、前記第１ゲート絶縁膜層よりも誘電率が高い
スイッチング素子。
【請求項２】
請求項１に記載されたスイッチング素子であって、
前記ゲート絶縁膜の膜厚が、０．０１〜１．００μｍである
スイッチング素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたスイッチング素子であって、
前記非共役高分子は、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａからなる重合体である
スイッチング素子。
【請求項４】
請求項１又は２に記載されたスイッチング素子であって、
前記非共役高分子は、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａと、芳香族環を有する側鎖を有さない少なくとも１種類の繰り返し単位Ｂとを含む共重合体であり、
前記繰り返し単位Ａは、前記繰り返し単位Ｂに対して、モル比にして５倍以上の割合で含まれている
スイッチング素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載されたスイッチング素子であって、
前記非共役高分子は、下記構造式：
【化１】
で表される置換ポリエチレン骨格を繰り返し単位として含む
スイッチング素子。
但し、式中、Ｘは連結基又は単結合、Ａｒは芳香族環を有する芳香族基、ｎは正の整数を示す。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載されたスイッチング素子であって、
前記芳香族環は、芳香族炭素環である
スイッチング素子。
【請求項７】
ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜と接する様に活性層を形成する工程と、
を具備し、
前記活性層は、カーボンナノチューブを含み、
前記ゲート絶縁膜は、前記活性層に接する第１ゲート絶縁膜層と、前記活性層に接しない第２ゲート絶縁膜層とを有し、
前記第１ゲート絶縁膜層が、側鎖に芳香族環を有する非共役高分子を含んでおり、
前記第２ゲート絶縁膜層が、前記第１ゲート絶縁膜層よりも誘電率が高い
スイッチング素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜が基板の上に形成され、
前記活性層の形成は、前記ゲート絶縁膜の形成の後に行われる
スイッチング素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記活性層を形成する工程は、
前記ゲート絶縁膜上に、カーボンナノチューブの分散したカーボンナノチューブ分散液を塗布する工程と、
塗布された前記カーボンナノチューブ分散液を乾燥させる工程と、を含む
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、
前記非共役高分子を含む溶液を前記基板上に塗布する工程と、
塗布された溶液を乾燥させる工程と、を含む
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項７に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記活性層が基板の上に形成され、
前記ゲート絶縁膜の形成は、前記活性層の形成の後に行われる
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記活性層を形成する工程は、
前記基板上に、カーボンナノチューブの分散したカーボンナノチューブ分散液を塗布する工程と、
塗布された前記カーボンナノチューブ分散液を乾燥させる工程と、を含む
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、
前記非共役高分子を含む溶液を前記基板上に塗布する工程と、
塗布された溶液を乾燥させる工程と、を含む
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項７乃至１３のいずれかに記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記非共役高分子は、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａからなる重合体である
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項７乃至１３のいずれかに記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記非共役高分子は、側鎖に芳香族環を有する少なくとも１種類の繰り返し単位Ａと、芳香族環を有する側鎖を有さない少なくとも１種類の繰り返し単位Ｂとからなる共重合体であり、
前記繰り返し単位Ａは、前記繰り返し単位Ｂに対して、モル比にして５倍以上の割合で含まれている
スイッチング素子の製造方法。
【請求項１６】
請求項７乃至１５のいずれかに記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記非共役高分子は、下記構造式：
【化２】
で表される置換ポリエチレン骨格を繰り返し単位として含む
スイッチング素子の製造方法。
但し、式中、Ｘは連結基又は単結合、Ａｒは芳香族環を有する芳香族基、ｎは正の整数を示す。
【請求項１７】
請求項７乃至１６のいずれかに記載されたスイッチング素子の製造方法であって、
前記芳香族環は、芳香族炭素環である
スイッチング素子の製造方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【公開番号】特開２０１３−７００８１（Ｐ２０１３−７００８１Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５７８００（Ｐ２０１２−２５７８００）
【出願日】平成２４年１１月２６日（２０１２．１１．２６）
【分割の表示】特願２００９−５０２４８６（Ｐ２００９−５０２４８６）の分割
【原出願日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月２６日（２０１２．１１．２６）
【分割の表示】特願２００９−５０２４８６（Ｐ２００９−５０２４８６）の分割
【原出願日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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