トランジスタ素子およびその製造方法
【課題】
ベース電極とコレクタ半導体の電荷注入障壁の制御が可能である、高性能な縦型薄膜のトランジスタ素子および製造方法を提供する。
【解決手段】
基板１０上に、第一電極２０と、コレクタ半導体層３０と、ベース電極４０と、エミッタ半導体層３１と、第二電極２１とを順次積層するトランジスタ素子において、コレクタ半導体層とエミッタ半導体層の間にベース電極が存在するようにするとともに、コレクタ半導体層が金属酸化物よりなることを特徴とする。
ベース電極とコレクタ半導体の電荷注入障壁の制御が可能である、高性能な縦型薄膜のトランジスタ素子および製造方法を提供する。
【解決手段】
基板１０上に、第一電極２０と、コレクタ半導体層３０と、ベース電極４０と、エミッタ半導体層３１と、第二電極２１とを順次積層するトランジスタ素子において、コレクタ半導体層とエミッタ半導体層の間にベース電極が存在するようにするとともに、コレクタ半導体層が金属酸化物よりなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜面に垂直方向に電流を流す縦型薄膜電流注入型のトランジスタ素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、第一電極（コレクタ電極、もしくはエミッタ電極）、コレクタ半導体層、ベース電極、エミッタ半導体層、第二電極（コレクタ電極、もしくはエミッタ電極）が基板上に構成され、当該半導体層にベース電極を介して印加される電圧によってエミッタ電極とコレクタ電極の間の電流値を制御する縦型の薄膜トランジスタに関する。
【０００３】
シリコン材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタは、すでに工業製品として製造されており良く知られたものである。これらは例えば図４に示すように、基板７１に対し横方向に配置されている。ソース電極層７５及びドレイン電極層７６は、電気的に中性である半導体層（チャネル層領域）７４により分離されて設けられている。ゲート電極７２は、ゲート絶縁層７３により半導体層７４と電気的に分離されて、基板７１の上に配置している。半導体層７４を構成する半導体材料としては、水素化アモルファスシリコンや、多結晶シリコン材料等が用いられている。
【０００４】
また、半導体層に有機材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタもよく知られている（非特許文献１）。この従来の有機材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタも、前記シリコン材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタと基本的に同様の構成であり、基板７１に対し、横方向に配置されたものが多く検討されている。半導体層７４を構成する有機半導体材料としては、p電子共役系の高分子化合物、芳香族化合物等の有機材料が用いられてきた。
【０００５】
加えて近年は、酸化物系半導体の開発が目覚しい。例えば半導体層に酸化亜鉛やインジウム・ガリウム・亜鉛複合酸化物を用いて比較的高い移動度を持つ薄膜トランジスタが報告されている（非特許文献２および非特許文献３）。これらの薄膜電界効果型トランジスタは、ゲート絶縁層を介してゲート電極層より印加された電界が半導体層（チャネル部）に作用して、ソース電極層とドレイン電極層との間に流れる電流を制御することによりトランジスタ動作を実現している。特に、半導体層に有機材料や酸化物系半導体を用いた薄膜電界効果型トランジスタは、半導体層に結晶シリコンを用いたトランジスタと比べて、広い面積の均一な素子を作製できることや、低温プロセスで素子が作製できるためプラスチック基板が使用出来ること等の利点を有している。また、特に有機材料を用いた場合には、これらを溶液化して、塗布、印刷などの液体プロセスにより、素子を低コストで作製出来るという利点もある。しかしながら、薄膜電界効果型トランジスタは結晶シリコントランジスタと比べて、(イ)キャリア移動度(トランジスタ性能を示す)が低いこと、(ロ) 大電流を流せないこと、(ハ) 高速動作ができないこと等の問題があった。
【０００６】
これらの課題の解決手段として、従来から、電流方向を薄膜半導体層に垂直とする縦型の素子構造が提案されてきた。例えば、Yangらは、網目状のポリアニリンをゲート電極として用いた素子を提案した（非特許文献４）。また、村石らは、ゲート電極を蒸着する際にLATEX球を蒸着マスクとして用いナノスケールの空隙を持つ電極を形成している（非特許文献５）。加えて特許文献１にはゲート電極を有機膜の側壁に配する方法が開示されている。一般に有機半導体層の厚さは１００ｎｍ程度まで薄く出来るのに対し、基板に平行な方向でのパターニング精度は１０μｍのオーダーであるので、電流方向を有機半導体層に垂直とすることすれば、電流方向が有機半導体層に水平な場合に比して、電流経路の断面積が大きく（おおよそ１００ｎｍ×１０μｍ→１０μｍ×１０μｍ）、かつ電流経路の長さが短く（おおよそ１０μｍ→１００ｎｍ）なるため、電流密度は数桁大きくとることが可能となる。これらの素子構造の基本的な部分は、静電誘導型トランジスタとして公知のものである。
【０００７】
しかしながら、静電誘導型トランジスタにおいては以下の問題点があった。即ち、一般の電界効果型トランジスタにおいてはゲート電圧一定の動作条件において、ドレイン電流のドレイン電圧への依存性は、ある閾値以上では飽和特性を示す。しかしながら、静電誘導型トランジスタでは一般にそのような特性は認められず、ドレイン電流はドレイン電圧に対して単調に増加する。これは、静電誘導型トランジスタにおいてはチャネル長が短く、所謂ピンチオフ効果が現れにくい事に起因するものである。
【０００８】
これを解決する手段として、制御電極として金属薄膜など導電性材料の薄膜を用い、それに印加される電界により電流制御を行うメタルベーストランジスタが提案されている（非特許文献６） 。メタルベーストランジスタにおいては、エミッタ電極からコレクタ電極への電流はベース電極を透過して流れ、その電流値はベース電極に印加される電圧により制御される。従って、ベース電極は、コレクタ半導体層とエミッタ半導体層を分断する。メタルベーストランジスタ素子の形成過程では、半導体／金属／半導体の積層構造を作製するだけである。類似の構造としては、シリコン半導体で広く知られているバイポーラトランジスタがある。しかしながら、多くの有機半導体や酸化物半導体では未だＰＮ接合が実現されておらず、バイポーラトランジスタを構成する事が出来ない。メタルベーストランジスタの構造によればＰＮ両極性の材料が未だ開発されていない半導体材料についてもトランジスタを構成する事が可能であり、かつ制御電極であるベース電極が薄くても飽和特性に支障はなく、縦型の薄膜トランジスタには好適である。加えてＰＮ接合に起因する拡散静電容量が無いため、トランジスタの高周波特性が改善されるという利点も期待される。
【０００９】
このメタルベーストランジスタにおいては、エミッタ電極からベース電極に注入された電荷の大部分がベース電極で再結合せずコレクタ電極に流れ込むことが必要である。ベース接地条件で、電荷のベース電極透過率をαとすると電流増倍率ｈＦＥは、
ｈＦＥ = a／（１−a）
で表される。例えばa ＝０．９９の時、ｈＦＥとして約１００が得られる。これを実現するための条件として、エミッタ電極側の半導体からベース電極へ注入される電荷が十分な運動エネルギーを持つものである事（ホットエレクトロン）と、ベース電極からコレクタ側の半導体への電荷注入障壁が十分小さい事が上げられる。
【００１０】
一般に、薄膜での電子透過距離（１／ｅに減衰する距離）はシリコンでは約１ｃｍと言われており、例えばシリコンのベース電極の厚さが１μｍあっても大部分の電子は透過するので、高い電流増倍率が得られる。しかしながら、金属材料中の電子透過距離はおおよそ１０ｎｍと言われており、ベース電極に金属材料を用いた場合の電流増倍率は低い値しか得られないと考えられていた。それに対し、近年、M. S. MeruviaらはＣ６０／Ａｕ（膜厚６ｎｍ）／シリコンの構成でa-＝０．９９、ｈＦＥ＝１００を得ており（非特許文献７）、また、S. FujimotoらはＣ６０／Ａｌ（膜厚２０ｎｍ）／ペリレン化合物の構成でｈＦＥ＝１８０〜１０００を得ている（非特許文献８）。しかしながら、これらの結果は前述の電子透過距離を考慮すると、いずれもその動作メカニズムが未だ説明出来ておらず、今後の解明が必要である。このように、メタルベーストランジスタは、そのメカニズムは未だ充分には解明されていないものの、縦型の薄膜トランジスタとして優れた特性を示す事が確認されつつある。
【００１１】
従来のメタルベーストランジスタの半導体は、主として有機材料を用いていた。メタルベーストランジスタのベース電極とコレクタ側の半導体のエネルギー準位は、電荷注入障壁を充分低くなるよう選択する必要がある。電荷注入障壁は、ベース電極の仕事関数とコレクタ側の半導体のフェルミ準位が一致させた場合の、ベース電極の仕事関数とコレクタ側の半導体の電子親和力（ｎ型の場合）となるが、有機材料では不純物ドーピング技術が未だ確立されていないため、フェルミエネルギー準位の微細な制御は一般には困難であり、改善が望まれていた。
【００１２】
また、従来のメタルベーストランジスタは、有機材料を蒸着プロセスにより形成し作製されていた。有機材料の特長である低コストプロセス（塗布などの湿式プロセスまたは液体プロセス）が適用されていない理由として、液体プロセスを用いてメタルベーストランジスタの積層構造を形成する場合、上層のプロセスにより下層を損傷する恐れがあるためである。特に半導体層を有機材料として塗布プロセスで形成する場合、エミッタ半導体層を形成する時にコレクタ半導体層（第１半導体層）を溶解するなどの損傷を与える可能性がある。これを避ける手段として、例えば極薄の保護層を設けるなどの対策が取られている例もあるが（非特許文献９）、この方法では電気抵抗を増大させ、かつプロセスが多くなりコスト増加となるなどの問題が生じていた。また、例えば非特許文献７ではシリコン基板上に形成されている例もあるが、この場合は素子面積がシリコンウエファの寸法で制限されるため、大きな素子面積の形成やプラスチック基板への形成という薄膜トランジスタの特長を活かす事が出来ていない。
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−１１０１１０号公報
【非特許文献１】C. D. Dimitrakopoulos et al., Advanced Materials, Vol. 14, pp. 99-117
【非特許文献２】P. F. Carcia et al., Journal of the SID, Vol. 13/7, pp. 547-554
【非特許文献３】K. Nomura et al., Nature, Vol. 432, pp. 488-492
【非特許文献４】Y. Yang et al, Nature, Vol. 372, pp344 (1994)
【非特許文献５】村石ら、信学技報 Technical Report of IEICE, OME2002-15 (2002-05) 13
【非特許文献６】S. M. Sze et al, Solid State Electron, 9 (1966) 751
【非特許文献７】M. S. Meruvia et al, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 3978
【非特許文献８】S. Fujimoto et al, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 133503
【非特許文献９】Yu-Chiang et al, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 253508
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は上記従来技術の問題点を鑑みてなされたもので、ベース電極とコレクタ半導体の電荷注入障壁の制御が可能である、高性能な縦型薄膜のトランジスタ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、低コストプロセスにより製造可能な高性能な縦型薄膜のトランジスタ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
即ち、本発明は、基板上に、第一電極と、コレクタ半導体層と、ベース電極と、エミッタ半導体層と、第二電極とが順次積層したトランジスタ素子であって、前記コレクタ半導体層と前記エミッタ半導体層の間には前記ベース電極が存在し、前記コレクタ半導体層が金属酸化物よりなるトランジスタ素子を提供する。また、本発明のトランジスタ素子は、第二電極と第一電極との間に流れる電流が、ベース電極を透過し、かつベース電極の電圧により制御されることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明で提供されるトランジスタ素子は、ベース電極と、エミッタ半導体層と、第二電極とのうち少なくとも一つが液体プロセスにより形成されることを特徴とする。また、本発明で提供されるトランジスタ素子は、コレクタ半導体層が酸化亜鉛と、酸化インジウムとのうち少なくとも一つを主成分とし、第二電極と第一電極との間に流れる電流が主として電子によるものであることを特徴とする。また、本発明で提供されるトランジスタ素子は、コレクタ半導体層が液体プロセスにより形成されることを特徴とする。また、本発明の別の実施態様により提供されるトランジスタ素子は、ベース電極が金属材料からなるメタルベーストランジスタ素子である。
【００１７】
また、本発明の別の態様として、基板上に第一電極を形成する工程と、前記第一電極上にコレクタ半導体層を形成する工程と、前記コレクタ半導体層上にベース電極を形成する工程と、前記ベース電極上にエミッタ半導体層を形成する工程と、前記エミッタ半導体層上に第二電極を形成する工程とを含むトランジスタ素子の製造方法であって、前記コレクタ半導体層と前記エミッタ半導体層の間にはベース電極が存在し、前記コレクタ半導体層が金属酸化物よりなるトランジスタ素子の製造方法を提供する。また、本発明で提供されるトランジスタ素子の製造方法は、前記ベース電極と、前記エミッタ半導体層と、前記第二電極とのうち少なくとも一つが液体プロセスにより形成されることを特徴とする。
【００１８】
本発明におけるコレクタ半導体層は金属酸化物で構成されており、この酸化物半導体では金属元素量の選択や不純物ドーピングによりフェルミ準位を制御することが可能である。一般に、金属と半導体の界面では金属の仕事関数と半導体のフェルミ準位が一致し、金属の仕事関数と半導体の電子親和力の差が電子の注入障壁となる。上記のように、半導体のフェルミ準位を制御できれば、ベース電極とコレクタ側の半導体の電荷注入障壁を精密に制御することが可能となる。加えて、本発明においてコレクタ半導体層を構成する金属酸化物は一般に液体プロセスに対して高い耐性を有するので、その上にベース電極、エミッタ半導体層、第二電極を液体プロセスにより形成してもコレクタ半導体層が損傷を受けることはない。また、金属酸化物は、スパッタ法、真空蒸着法、塗布法などによる薄膜素子を形成できるので、例えばシリコンなどのようにウェファ面積により素子面積が限定される事がない。従って、積層素子を低コストで作製することが可能となる。また、有機半導体材料の電荷移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓ以下であるのに対し、酸化物半導体では１０〜５０ｃｍ２／Ｖｓと高いため、特性が格段に改善される。
【発明の効果】
【００１９】
このように、本発明のコレクタ半導体層は金属酸化物により構成されているためエネルギー準位（電子親和力）の制御が容易となり、ベース電極、エミッタ半導体層の材料特性とのエネルギー準位の整合を図ることができ、またベース電極とコレクタ半導体層との電荷注入障壁を制御することが可能となる。
また、本発明によれば、コレクタ半導体層が金属酸化物により構成されるため、コレクタ半導体層の上に形成されるベース電極、エミッタ半導体層、第二電極の形成プロセスにおいて、液体プロセスを用いてもコレクタ半導体層が損傷を受けることが無く、低コストでトランジスタ素子を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明における縦型トランジスタ素子の実施形態の例を示す概略構成図である。
【００２１】
図１に示すように、このトランジスタ素子は基板１０上に、第一電極層２０と、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０と、ベース電極層４０と、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１と、第二電極層２１とが薄膜として順次積層された構成である。
なお、以下の説明では、電子が第二電極２１から第一電極２０に流れる場合を想定し、第一電極２０をコレクタ電極、第二電極２１をエミッタ電極として議論を進めるが、電流の向きが逆であっても、当然、同じ内容の議論が可能である。
【００２２】
本発明において、基板１０として用いるものは特に限定されないが、従来公知のガラス基板やプラスチック基板が好ましく用いられる。
【００２３】
本発明の第一電極２０の材料として用いられるものは、アルミニウム、金、銀、ニッケル、鉄などの金属材料や、ＩＴＯ、カーボン等の無機材料、共役系有機材料、液晶等の有機材料、シリコンなどの半導体材料などが適宜選択可能であり、特に限定されない。
【００２４】
第一電極層２０の形成方法としては、真空蒸着法、あるいは塗布法等、従来公知の薄膜形成方法が好ましく用いられ、特に限定されないが、低コスト化のためには、スピンコート、インクジェット、ディップなどの液体プロセスを用いる事が望ましい。真空蒸着で薄膜を形成する場合、蒸着時の基板温度は、使用する電極材料によって適宜選択されるが０〜１５０℃が好ましい。また、第一電極２０の膜厚は５０〜２００ｎｍが好ましい。
【００２５】
低コスト化のために電極を液体プロセスで形成する場合は、例えば、金、白金、銀、カーボンなどの金属微粒子が適当な液体に分散された分散液が好適である。また、ポリチオフェン系やポリアニリン系の導電性高分子を電極として用いることも出来る。
【００２６】
本発明のコレクタ半導体層（第１半導体層）３０に用いられる金属酸化物半導体材料としては、例えば、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化カドミウム、及びこれら酸化物の複合酸化物があげられる。またこれらの材料にドープ材料を添加して導電率を制御した材料も好適である。これらの酸化物半導体はほとんどがｎ型の半導体であり、ｐ型半導体となる材料は未だ少数に限られている。またこれらの材料には適当なドープ材料（例えばＭｇ、Ａｌ、Ｇａなど）を合金化することによりエネルギー準位や伝導度を制御する事も可能であり、好ましく用いられる。例えば、ドープ材料を１０１５〜１０１７ｌ／ｃｍ３の範囲で添加することが好ましい。具体的には、金属酸化物薄膜をスパッタなど公知の方法により成膜する場合に、ターゲット材料にドープ材料を配合する事により、伝導率を制御することができる。
【００２７】
コレクタ半導体層３０の形成方法としては、スパッタ法、真空蒸着法、塗布法等、従来公知の薄膜形成方法が好ましく用いられ、特に限定されないが、スピンコート、インクジェット、ディップなどの液体プロセスを用いて形成することもできる。コレクタ半導体層３０の膜厚は、特に制限は無いが、実用的には平坦な連続膜が得られやすく、電気抵抗が過大とならない１０〜３００ｎｍが好適である。
【００２８】
本発明のベース電極４０に用いられる材料としては、各種の金属材料を用いることができる。例えばアルミニウム、クロム、チタン、金、銀、銅、白金、もしくはロジウムなどの金属材料を用いることができる。また、ポリチオフェン系やポリアニリン系の導電性高分子材料を用いることも可能である。
【００２９】
ベース電極４０の形成方法は、前述の第一電極、第二電極と基本的に同じであるが、電荷の透過率を確保するためには膜厚が極薄である必要があり、その制御性が求められる。ベース電極４０の膜厚は、基本的には薄い事が望ましいが、実用的には平坦な連続膜が得られやすく、電気抵抗が過大とならない５〜５０ｎｍが好適である。
【００３０】
特に、金属微粒子が適当な液体に分散された分散液を用いて電極を形成する場合、ベース電極４０は、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０上に、スピンコート等の塗布によっても形成してもよい。この場合、塗布溶剤としては、特に微粒子として白金、ロジウム等の金属を用いる場合は、当該材料の分散が容易なアルコール系のエチルアルコール、メチルアルコール、プロピルアルコール、グリコール系のエチレングリコール、ＴＨＦ、エチレングリコールジメチルエーテル、もしくは純水が好ましい。この場合、液中に、上記の金属微粒子を例えば０．００１〜３０質量％の範囲で分散させる。スピンコート条件は目標膜厚に応じて適宜設定可能であるが、回転数２００〜３６００ｒｐｍの範囲が好ましい。
【００３１】
また、特に白金微粒子の場合は、例えば特開平７−８８０７号等に開示されているように、白金イオン溶液としてジニトロジアミノ硝酸溶液を使用し、かつ還元剤としてエタノールを使用することで白金イオンを還元し白金微粒子を基板上に析出させる事も可能である。このようなナノオーダーレベルの金属の微粒子は、例えば、田中貴金属株式会社、もしくは真空冶金株式会社等から一般の市販品として入手することも可能である。
【００３２】
本発明のエミッタ半導体層（第２半導体層）３１に用いる半導体材料としては、酸化物半導体、有機半導体、アモルファス水素化シリコン、ＩＩＩＶ族半導体、ＩＩＶＩ族半導体など、各種の半導体材料を用いる事が可能である。このうち酸化物半導体としては、前述の第１半導体材料層３０と同様の材料系（酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化カドミミウム、及びこれら酸化物の複合酸化物）を用いる事ができる。また、有機半導体として好ましくは、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン及びそれらの誘導体よりなる群から選択されるアセン分子材料、フタロシアニン系化合物、アゾ系化合物及びペリレン系化合物よりなる群から選ばれる顔料及びその誘導体、アミノイミダゾール系化合物、カルバゾール系化合物、スチリル系化合物、スチルベン系化合物、ブタジエン系化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン化合物、フェニレン誘導体及びトリアリールアミン化合物よりなる群から選択される低分子化合物並びにそれらの誘導体、或いは、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、ポリチオフェン誘導体、チオフェンオリゴマー誘導体、ピレンホルムアルデヒド樹脂、ポリアセチレン誘導体、及び、エチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂よりなる群から選択される高分子化合物、フルオレノン系、ジフェノキノン系、ベンゾキノン系、アントラキノン系、インデノン系化合物が挙げられるがこれに限定されるものでは無い。特にｐ型の有機半導体としてはペンタセンやチオフェンポリマーが高い移動度を持つ材料として知られている。
【００３３】
エミッタ半導体層３１の形成方法としては、真空蒸着法、あるいは塗布法等、従来公知の薄膜形成方法が好ましく用いられ、特に限定されないが、低コスト化のためには、スピンコート、インクジェット、ディップなどの液体プロセスを用いる事が望ましい。エミッタ半導体層３１の膜厚は、特に制限は無いが、実用的には平坦な連続膜が得られやすく、電気抵抗が過大とならない１０〜３００ｎｍが好適である。
【００３４】
本発明の第二電極２１の材料として用いられるものは、第一電極２０と基本的に同じであり、また第二電極２１の形成方法も第一電極２０と基本的に同じである。第二電極２１の膜厚は５０〜２００ｎｍが好ましい。
【００３５】
このように得られた本発明のトランジスタ素子は、図２に示すエネルギー準位を有する。エミッタ半導体層（第２半導体層）３１とベース電極４０の間に順バイアスの電界が印加されると、電子がベース電極に流入する。このとき電子は、エミッタ半導体層３１とベース電極４０のエネルギー差に相当し、室温相当よりも高いエネルギーを持つ電子（ホットエレクトロン）であり、ベース電極４０に流入した電子の大部分はベース電極４０を透過して、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０へ流入する。コレクタ半導体層３０へ流入した電子はベース電極４０と第一電極２０の間の電界により第一電極２０に至る。
【００３６】
また、上記のコレクタ半導体層３０、ベース電極４０、エミッタ半導体層３１のエネルギー準位は、例えば移動する電荷が電子である場合、図３に示すように、その電子親和力（ベース電極が金属である場合は仕事関数）の絶対値がコレクタ半導体層＜エミッタ半導体層＜ベース電極である必要がある。また、前述したように、エミッタ半導体層３１の電子親和力とベース電極４０の仕事関数は電子の注入障壁となる為、低い事が望ましい。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例を用いて、本発明のトランジスタ素子について更に詳細に説明する。
（実施例１）
以下の手順で、図１に示すような構成のトランジスタ素子を作成した。すなわち、基板１０としてガラス基板を用い、第一電極層２０、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０、ベース電極層４０、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１、第二電極層２１を、スパッタ法、もしくは真空蒸着法により、それぞれ１００ｎｍ、１００ｎｍ、２０ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍの厚さで順次薄膜形成し、実施例１のトランジスタ素子を形成した。各層成膜時の基板温度は室温とした。
【００３８】
各層の材料は、第一電極層２０、第二電極層２１としてそれぞれ銅、銀を用い、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０としてインジウム・ガリウム・亜鉛の複合酸化膜（ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１として酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用い、それぞれスパッタ法により形成した。また、ベース電極層４０にはアルミニウム蒸着膜を用いた。
【００３９】
（実施例２）
エミッタ半導体層（第２半導体層）３１の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を、下記の方法より形成した以外は実施例１と同一の条件で成膜して、実施例２のトランジスタ素子を得た。即ち、Ｚｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏの水溶液（濃度０．１ｍｏｌ／Ｌ）とＬｉＯＨ／Ｈ２Ｏの水溶液（濃度０．１５ｍｏｌ／Ｌ）を混合した溶液中に、コレクタ半導体層３０およびベース電極４０を形成した基板１０を浸漬し、６０℃で4時間加熱した。これにより、酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜をベース電極４０上に形成する事が出来た。
【００４０】
（実施例３）
第二電極層２１を、Ａｇ微粒子分散液（真空冶金株式会社製、Ａｇナノメタルインク）を塗布する事により厚さ２００ｎｍの薄膜として形成した。第二電極層以外は実施例１と同一の条件で成膜して、実施例３のトランジスタ素子を得た。Ａｇ微粒子分散液を用いた成膜は、インクジェット法により所定の位置に塗布した後、２４０℃で３０分乾燥した。
【００４１】
（実施例４）
ベース電極層４０を、下記に示す化合物からなるチオフェン系導電性ポリマー溶液（Bayer社製 Baytron P TP Al 4083）を塗布する事により厚さ２０ｎｍの薄膜として形成した。ベース電極４０以外は実施例１と同一の条件で成膜して、実施例４のトランジスタ素子を得た。チオフェン系導電性ポリマー溶液による成膜は、スピンコート法（回転数３０００ｒｐｍ）で塗布した後、１２０℃で１２０分乾燥することにより行った。
【００４２】
【化Ｉ】
（実施例５）
以下の手順で、図１に示すような構成のトランジスタ素子を作成した。すなわち、基板１０としてガラス基板を用い、第一電極層２０、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０、ベース電極層４０、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１、第二電極層２１を、塗布法、もしくは真空蒸着法により、それぞれ１００ｎｍ、１００ｎｍ、２０ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍの厚さで順次薄膜形成し、実施例５のスイッチング素子を形成した。各層成膜時の基板温度は室温とした。
【００４３】
各層の材料は、第一電極層２０、第二電極層２１としてそれぞれ銀、金を用い、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０として酸化亜鉛（ＺｎＯ）、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１としてＣ６０（アルドリッチ社製）を用い、それぞれ塗布法、真空蒸着法により形成した。また、ベース電極層４０にはアルミニウム蒸着膜を用いた。酸化亜鉛（ＺｎＯ）は実施例２のエミッタ半導体層と同様の方法で形成した。
【００４４】
（比較例１）
基板１０としてガラス基板を用い、第一電極層２０、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０、ベース電極層４０、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１、第二電極層２１を、真空蒸着法により、それぞれ１００ｎｍ、１００ｎｍ、２０ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍの厚さで順次薄膜形成し、比較例１のトランジスタ素子を形成した。各層成膜時の基板温度は室温とした。
【００４５】
各層の材料は、第一電極層２０、第二電極層２１としてそれぞれ銅、銀を用い、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０として化学式（ＩＩ）に示すペリレン系材料（アルドリッチ社製）、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１として化学式（ＩＩＩ）に示すフラーレン（東京化成製）を用いた。また、ベース電極層４０にはアルミニウム蒸着膜を用いた。
【００４６】
【化２】
【化３】
【００４７】
上記実施例１〜５と比較例１は半導体がｎ型である。また、実施例１〜４と比較例１は第二電極（エミッタ電極）２１から第一電極（コレクタ電極）２０に電子が流すよう構成されているが、実施例５では第一電極（コレクタ電極）２０から第二電極（エミッタ電極）２１へ電子を流す設計となっている。上記の実施例１〜５、比較例１のトランジスタ素子について、ベース電極に対するコレクタ電極の電圧（コレクタ電圧）を５Ｖとし、ベース電極に対するエミッタ電極（エミッタ電圧）を０Ｖから−３Ｖへ変化させた時のコレクタ電流の変化を測定した。測定は室温、真空中で行った。結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
実施例１〜５において良好なトランジスタ特性が得られ、コレクタ電流はエミッタ電圧により制御された。特に実施例１では、コレクタ電流としては５００ｍＡ／ｃｍ２以上が得られており、同様の構成で、有機材料のみを用いた比較例１に比して大きな電流密度が得られている。また、実施例２〜５については、ベース電極、エミッタ半導体層、第二電極の、少なくとも一つが、液体プロセスにより形成されているが、良好な素子特性が得られた。液体プロセスの真空プロセスに対するコスト比は、製造規模により異なるが、およそ３０〜６０％と考えられる。実施例１〜５、比較例１で示した５層構造では、塗布プロセス１層当り、上記相当のコストダウンが可能となる事になる。
これらの結果により、コレクタ半導体層に金属酸化物を用いる事で、電流密度などの素子特性が改善され、かつ、液体プロセスの適用が可能となって低コスト化も可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明のトランジスタ素子の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明のトランジスタ素子における、ｎ型半導体を用いた場合の動作原理を示した説明図。
【図３】本発明のトランジスタ素子における、ｎ型半導体を用いた場合のエネルギー準位を示した説明図。
【図４】従来の横型トランジスタ素子の一実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０：基板
２０：第一電極層
３０：コレクタ半導体層（第１半導体層）
４０：ベース電極
３１：エミッタ半導体層（第２半導体層）
２１：第二電極層
７１：基板
７２：ゲート電極
７３：ゲート電気絶縁層
７４：半導体層
７５：ソース電極層
７６：ドレイン電極層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜面に垂直方向に電流を流す縦型薄膜電流注入型のトランジスタ素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、第一電極（コレクタ電極、もしくはエミッタ電極）、コレクタ半導体層、ベース電極、エミッタ半導体層、第二電極（コレクタ電極、もしくはエミッタ電極）が基板上に構成され、当該半導体層にベース電極を介して印加される電圧によってエミッタ電極とコレクタ電極の間の電流値を制御する縦型の薄膜トランジスタに関する。
【０００３】
シリコン材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタは、すでに工業製品として製造されており良く知られたものである。これらは例えば図４に示すように、基板７１に対し横方向に配置されている。ソース電極層７５及びドレイン電極層７６は、電気的に中性である半導体層（チャネル層領域）７４により分離されて設けられている。ゲート電極７２は、ゲート絶縁層７３により半導体層７４と電気的に分離されて、基板７１の上に配置している。半導体層７４を構成する半導体材料としては、水素化アモルファスシリコンや、多結晶シリコン材料等が用いられている。
【０００４】
また、半導体層に有機材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタもよく知られている（非特許文献１）。この従来の有機材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタも、前記シリコン材料を用いた薄膜電界効果型トランジスタと基本的に同様の構成であり、基板７１に対し、横方向に配置されたものが多く検討されている。半導体層７４を構成する有機半導体材料としては、p電子共役系の高分子化合物、芳香族化合物等の有機材料が用いられてきた。
【０００５】
加えて近年は、酸化物系半導体の開発が目覚しい。例えば半導体層に酸化亜鉛やインジウム・ガリウム・亜鉛複合酸化物を用いて比較的高い移動度を持つ薄膜トランジスタが報告されている（非特許文献２および非特許文献３）。これらの薄膜電界効果型トランジスタは、ゲート絶縁層を介してゲート電極層より印加された電界が半導体層（チャネル部）に作用して、ソース電極層とドレイン電極層との間に流れる電流を制御することによりトランジスタ動作を実現している。特に、半導体層に有機材料や酸化物系半導体を用いた薄膜電界効果型トランジスタは、半導体層に結晶シリコンを用いたトランジスタと比べて、広い面積の均一な素子を作製できることや、低温プロセスで素子が作製できるためプラスチック基板が使用出来ること等の利点を有している。また、特に有機材料を用いた場合には、これらを溶液化して、塗布、印刷などの液体プロセスにより、素子を低コストで作製出来るという利点もある。しかしながら、薄膜電界効果型トランジスタは結晶シリコントランジスタと比べて、(イ)キャリア移動度(トランジスタ性能を示す)が低いこと、(ロ) 大電流を流せないこと、(ハ) 高速動作ができないこと等の問題があった。
【０００６】
これらの課題の解決手段として、従来から、電流方向を薄膜半導体層に垂直とする縦型の素子構造が提案されてきた。例えば、Yangらは、網目状のポリアニリンをゲート電極として用いた素子を提案した（非特許文献４）。また、村石らは、ゲート電極を蒸着する際にLATEX球を蒸着マスクとして用いナノスケールの空隙を持つ電極を形成している（非特許文献５）。加えて特許文献１にはゲート電極を有機膜の側壁に配する方法が開示されている。一般に有機半導体層の厚さは１００ｎｍ程度まで薄く出来るのに対し、基板に平行な方向でのパターニング精度は１０μｍのオーダーであるので、電流方向を有機半導体層に垂直とすることすれば、電流方向が有機半導体層に水平な場合に比して、電流経路の断面積が大きく（おおよそ１００ｎｍ×１０μｍ→１０μｍ×１０μｍ）、かつ電流経路の長さが短く（おおよそ１０μｍ→１００ｎｍ）なるため、電流密度は数桁大きくとることが可能となる。これらの素子構造の基本的な部分は、静電誘導型トランジスタとして公知のものである。
【０００７】
しかしながら、静電誘導型トランジスタにおいては以下の問題点があった。即ち、一般の電界効果型トランジスタにおいてはゲート電圧一定の動作条件において、ドレイン電流のドレイン電圧への依存性は、ある閾値以上では飽和特性を示す。しかしながら、静電誘導型トランジスタでは一般にそのような特性は認められず、ドレイン電流はドレイン電圧に対して単調に増加する。これは、静電誘導型トランジスタにおいてはチャネル長が短く、所謂ピンチオフ効果が現れにくい事に起因するものである。
【０００８】
これを解決する手段として、制御電極として金属薄膜など導電性材料の薄膜を用い、それに印加される電界により電流制御を行うメタルベーストランジスタが提案されている（非特許文献６） 。メタルベーストランジスタにおいては、エミッタ電極からコレクタ電極への電流はベース電極を透過して流れ、その電流値はベース電極に印加される電圧により制御される。従って、ベース電極は、コレクタ半導体層とエミッタ半導体層を分断する。メタルベーストランジスタ素子の形成過程では、半導体／金属／半導体の積層構造を作製するだけである。類似の構造としては、シリコン半導体で広く知られているバイポーラトランジスタがある。しかしながら、多くの有機半導体や酸化物半導体では未だＰＮ接合が実現されておらず、バイポーラトランジスタを構成する事が出来ない。メタルベーストランジスタの構造によればＰＮ両極性の材料が未だ開発されていない半導体材料についてもトランジスタを構成する事が可能であり、かつ制御電極であるベース電極が薄くても飽和特性に支障はなく、縦型の薄膜トランジスタには好適である。加えてＰＮ接合に起因する拡散静電容量が無いため、トランジスタの高周波特性が改善されるという利点も期待される。
【０００９】
このメタルベーストランジスタにおいては、エミッタ電極からベース電極に注入された電荷の大部分がベース電極で再結合せずコレクタ電極に流れ込むことが必要である。ベース接地条件で、電荷のベース電極透過率をαとすると電流増倍率ｈＦＥは、
ｈＦＥ = a／（１−a）
で表される。例えばa ＝０．９９の時、ｈＦＥとして約１００が得られる。これを実現するための条件として、エミッタ電極側の半導体からベース電極へ注入される電荷が十分な運動エネルギーを持つものである事（ホットエレクトロン）と、ベース電極からコレクタ側の半導体への電荷注入障壁が十分小さい事が上げられる。
【００１０】
一般に、薄膜での電子透過距離（１／ｅに減衰する距離）はシリコンでは約１ｃｍと言われており、例えばシリコンのベース電極の厚さが１μｍあっても大部分の電子は透過するので、高い電流増倍率が得られる。しかしながら、金属材料中の電子透過距離はおおよそ１０ｎｍと言われており、ベース電極に金属材料を用いた場合の電流増倍率は低い値しか得られないと考えられていた。それに対し、近年、M. S. MeruviaらはＣ６０／Ａｕ（膜厚６ｎｍ）／シリコンの構成でa-＝０．９９、ｈＦＥ＝１００を得ており（非特許文献７）、また、S. FujimotoらはＣ６０／Ａｌ（膜厚２０ｎｍ）／ペリレン化合物の構成でｈＦＥ＝１８０〜１０００を得ている（非特許文献８）。しかしながら、これらの結果は前述の電子透過距離を考慮すると、いずれもその動作メカニズムが未だ説明出来ておらず、今後の解明が必要である。このように、メタルベーストランジスタは、そのメカニズムは未だ充分には解明されていないものの、縦型の薄膜トランジスタとして優れた特性を示す事が確認されつつある。
【００１１】
従来のメタルベーストランジスタの半導体は、主として有機材料を用いていた。メタルベーストランジスタのベース電極とコレクタ側の半導体のエネルギー準位は、電荷注入障壁を充分低くなるよう選択する必要がある。電荷注入障壁は、ベース電極の仕事関数とコレクタ側の半導体のフェルミ準位が一致させた場合の、ベース電極の仕事関数とコレクタ側の半導体の電子親和力（ｎ型の場合）となるが、有機材料では不純物ドーピング技術が未だ確立されていないため、フェルミエネルギー準位の微細な制御は一般には困難であり、改善が望まれていた。
【００１２】
また、従来のメタルベーストランジスタは、有機材料を蒸着プロセスにより形成し作製されていた。有機材料の特長である低コストプロセス（塗布などの湿式プロセスまたは液体プロセス）が適用されていない理由として、液体プロセスを用いてメタルベーストランジスタの積層構造を形成する場合、上層のプロセスにより下層を損傷する恐れがあるためである。特に半導体層を有機材料として塗布プロセスで形成する場合、エミッタ半導体層を形成する時にコレクタ半導体層（第１半導体層）を溶解するなどの損傷を与える可能性がある。これを避ける手段として、例えば極薄の保護層を設けるなどの対策が取られている例もあるが（非特許文献９）、この方法では電気抵抗を増大させ、かつプロセスが多くなりコスト増加となるなどの問題が生じていた。また、例えば非特許文献７ではシリコン基板上に形成されている例もあるが、この場合は素子面積がシリコンウエファの寸法で制限されるため、大きな素子面積の形成やプラスチック基板への形成という薄膜トランジスタの特長を活かす事が出来ていない。
【００１３】
【特許文献１】特開２００３−１１０１１０号公報
【非特許文献１】C. D. Dimitrakopoulos et al., Advanced Materials, Vol. 14, pp. 99-117
【非特許文献２】P. F. Carcia et al., Journal of the SID, Vol. 13/7, pp. 547-554
【非特許文献３】K. Nomura et al., Nature, Vol. 432, pp. 488-492
【非特許文献４】Y. Yang et al, Nature, Vol. 372, pp344 (1994)
【非特許文献５】村石ら、信学技報 Technical Report of IEICE, OME2002-15 (2002-05) 13
【非特許文献６】S. M. Sze et al, Solid State Electron, 9 (1966) 751
【非特許文献７】M. S. Meruvia et al, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 3978
【非特許文献８】S. Fujimoto et al, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 133503
【非特許文献９】Yu-Chiang et al, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 253508
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は上記従来技術の問題点を鑑みてなされたもので、ベース電極とコレクタ半導体の電荷注入障壁の制御が可能である、高性能な縦型薄膜のトランジスタ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、低コストプロセスにより製造可能な高性能な縦型薄膜のトランジスタ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
即ち、本発明は、基板上に、第一電極と、コレクタ半導体層と、ベース電極と、エミッタ半導体層と、第二電極とが順次積層したトランジスタ素子であって、前記コレクタ半導体層と前記エミッタ半導体層の間には前記ベース電極が存在し、前記コレクタ半導体層が金属酸化物よりなるトランジスタ素子を提供する。また、本発明のトランジスタ素子は、第二電極と第一電極との間に流れる電流が、ベース電極を透過し、かつベース電極の電圧により制御されることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明で提供されるトランジスタ素子は、ベース電極と、エミッタ半導体層と、第二電極とのうち少なくとも一つが液体プロセスにより形成されることを特徴とする。また、本発明で提供されるトランジスタ素子は、コレクタ半導体層が酸化亜鉛と、酸化インジウムとのうち少なくとも一つを主成分とし、第二電極と第一電極との間に流れる電流が主として電子によるものであることを特徴とする。また、本発明で提供されるトランジスタ素子は、コレクタ半導体層が液体プロセスにより形成されることを特徴とする。また、本発明の別の実施態様により提供されるトランジスタ素子は、ベース電極が金属材料からなるメタルベーストランジスタ素子である。
【００１７】
また、本発明の別の態様として、基板上に第一電極を形成する工程と、前記第一電極上にコレクタ半導体層を形成する工程と、前記コレクタ半導体層上にベース電極を形成する工程と、前記ベース電極上にエミッタ半導体層を形成する工程と、前記エミッタ半導体層上に第二電極を形成する工程とを含むトランジスタ素子の製造方法であって、前記コレクタ半導体層と前記エミッタ半導体層の間にはベース電極が存在し、前記コレクタ半導体層が金属酸化物よりなるトランジスタ素子の製造方法を提供する。また、本発明で提供されるトランジスタ素子の製造方法は、前記ベース電極と、前記エミッタ半導体層と、前記第二電極とのうち少なくとも一つが液体プロセスにより形成されることを特徴とする。
【００１８】
本発明におけるコレクタ半導体層は金属酸化物で構成されており、この酸化物半導体では金属元素量の選択や不純物ドーピングによりフェルミ準位を制御することが可能である。一般に、金属と半導体の界面では金属の仕事関数と半導体のフェルミ準位が一致し、金属の仕事関数と半導体の電子親和力の差が電子の注入障壁となる。上記のように、半導体のフェルミ準位を制御できれば、ベース電極とコレクタ側の半導体の電荷注入障壁を精密に制御することが可能となる。加えて、本発明においてコレクタ半導体層を構成する金属酸化物は一般に液体プロセスに対して高い耐性を有するので、その上にベース電極、エミッタ半導体層、第二電極を液体プロセスにより形成してもコレクタ半導体層が損傷を受けることはない。また、金属酸化物は、スパッタ法、真空蒸着法、塗布法などによる薄膜素子を形成できるので、例えばシリコンなどのようにウェファ面積により素子面積が限定される事がない。従って、積層素子を低コストで作製することが可能となる。また、有機半導体材料の電荷移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓ以下であるのに対し、酸化物半導体では１０〜５０ｃｍ２／Ｖｓと高いため、特性が格段に改善される。
【発明の効果】
【００１９】
このように、本発明のコレクタ半導体層は金属酸化物により構成されているためエネルギー準位（電子親和力）の制御が容易となり、ベース電極、エミッタ半導体層の材料特性とのエネルギー準位の整合を図ることができ、またベース電極とコレクタ半導体層との電荷注入障壁を制御することが可能となる。
また、本発明によれば、コレクタ半導体層が金属酸化物により構成されるため、コレクタ半導体層の上に形成されるベース電極、エミッタ半導体層、第二電極の形成プロセスにおいて、液体プロセスを用いてもコレクタ半導体層が損傷を受けることが無く、低コストでトランジスタ素子を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明における縦型トランジスタ素子の実施形態の例を示す概略構成図である。
【００２１】
図１に示すように、このトランジスタ素子は基板１０上に、第一電極層２０と、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０と、ベース電極層４０と、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１と、第二電極層２１とが薄膜として順次積層された構成である。
なお、以下の説明では、電子が第二電極２１から第一電極２０に流れる場合を想定し、第一電極２０をコレクタ電極、第二電極２１をエミッタ電極として議論を進めるが、電流の向きが逆であっても、当然、同じ内容の議論が可能である。
【００２２】
本発明において、基板１０として用いるものは特に限定されないが、従来公知のガラス基板やプラスチック基板が好ましく用いられる。
【００２３】
本発明の第一電極２０の材料として用いられるものは、アルミニウム、金、銀、ニッケル、鉄などの金属材料や、ＩＴＯ、カーボン等の無機材料、共役系有機材料、液晶等の有機材料、シリコンなどの半導体材料などが適宜選択可能であり、特に限定されない。
【００２４】
第一電極層２０の形成方法としては、真空蒸着法、あるいは塗布法等、従来公知の薄膜形成方法が好ましく用いられ、特に限定されないが、低コスト化のためには、スピンコート、インクジェット、ディップなどの液体プロセスを用いる事が望ましい。真空蒸着で薄膜を形成する場合、蒸着時の基板温度は、使用する電極材料によって適宜選択されるが０〜１５０℃が好ましい。また、第一電極２０の膜厚は５０〜２００ｎｍが好ましい。
【００２５】
低コスト化のために電極を液体プロセスで形成する場合は、例えば、金、白金、銀、カーボンなどの金属微粒子が適当な液体に分散された分散液が好適である。また、ポリチオフェン系やポリアニリン系の導電性高分子を電極として用いることも出来る。
【００２６】
本発明のコレクタ半導体層（第１半導体層）３０に用いられる金属酸化物半導体材料としては、例えば、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化カドミウム、及びこれら酸化物の複合酸化物があげられる。またこれらの材料にドープ材料を添加して導電率を制御した材料も好適である。これらの酸化物半導体はほとんどがｎ型の半導体であり、ｐ型半導体となる材料は未だ少数に限られている。またこれらの材料には適当なドープ材料（例えばＭｇ、Ａｌ、Ｇａなど）を合金化することによりエネルギー準位や伝導度を制御する事も可能であり、好ましく用いられる。例えば、ドープ材料を１０１５〜１０１７ｌ／ｃｍ３の範囲で添加することが好ましい。具体的には、金属酸化物薄膜をスパッタなど公知の方法により成膜する場合に、ターゲット材料にドープ材料を配合する事により、伝導率を制御することができる。
【００２７】
コレクタ半導体層３０の形成方法としては、スパッタ法、真空蒸着法、塗布法等、従来公知の薄膜形成方法が好ましく用いられ、特に限定されないが、スピンコート、インクジェット、ディップなどの液体プロセスを用いて形成することもできる。コレクタ半導体層３０の膜厚は、特に制限は無いが、実用的には平坦な連続膜が得られやすく、電気抵抗が過大とならない１０〜３００ｎｍが好適である。
【００２８】
本発明のベース電極４０に用いられる材料としては、各種の金属材料を用いることができる。例えばアルミニウム、クロム、チタン、金、銀、銅、白金、もしくはロジウムなどの金属材料を用いることができる。また、ポリチオフェン系やポリアニリン系の導電性高分子材料を用いることも可能である。
【００２９】
ベース電極４０の形成方法は、前述の第一電極、第二電極と基本的に同じであるが、電荷の透過率を確保するためには膜厚が極薄である必要があり、その制御性が求められる。ベース電極４０の膜厚は、基本的には薄い事が望ましいが、実用的には平坦な連続膜が得られやすく、電気抵抗が過大とならない５〜５０ｎｍが好適である。
【００３０】
特に、金属微粒子が適当な液体に分散された分散液を用いて電極を形成する場合、ベース電極４０は、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０上に、スピンコート等の塗布によっても形成してもよい。この場合、塗布溶剤としては、特に微粒子として白金、ロジウム等の金属を用いる場合は、当該材料の分散が容易なアルコール系のエチルアルコール、メチルアルコール、プロピルアルコール、グリコール系のエチレングリコール、ＴＨＦ、エチレングリコールジメチルエーテル、もしくは純水が好ましい。この場合、液中に、上記の金属微粒子を例えば０．００１〜３０質量％の範囲で分散させる。スピンコート条件は目標膜厚に応じて適宜設定可能であるが、回転数２００〜３６００ｒｐｍの範囲が好ましい。
【００３１】
また、特に白金微粒子の場合は、例えば特開平７−８８０７号等に開示されているように、白金イオン溶液としてジニトロジアミノ硝酸溶液を使用し、かつ還元剤としてエタノールを使用することで白金イオンを還元し白金微粒子を基板上に析出させる事も可能である。このようなナノオーダーレベルの金属の微粒子は、例えば、田中貴金属株式会社、もしくは真空冶金株式会社等から一般の市販品として入手することも可能である。
【００３２】
本発明のエミッタ半導体層（第２半導体層）３１に用いる半導体材料としては、酸化物半導体、有機半導体、アモルファス水素化シリコン、ＩＩＩＶ族半導体、ＩＩＶＩ族半導体など、各種の半導体材料を用いる事が可能である。このうち酸化物半導体としては、前述の第１半導体材料層３０と同様の材料系（酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化カドミミウム、及びこれら酸化物の複合酸化物）を用いる事ができる。また、有機半導体として好ましくは、ナフタレン、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン及びそれらの誘導体よりなる群から選択されるアセン分子材料、フタロシアニン系化合物、アゾ系化合物及びペリレン系化合物よりなる群から選ばれる顔料及びその誘導体、アミノイミダゾール系化合物、カルバゾール系化合物、スチリル系化合物、スチルベン系化合物、ブタジエン系化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、ジフェニルメタン化合物、アリールビニル化合物、ピラゾリン化合物、トリフェニルアミン化合物、フェニレン誘導体及びトリアリールアミン化合物よりなる群から選択される低分子化合物並びにそれらの誘導体、或いは、ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ハロゲン化ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール、ポリビニルピレン、ポリビニルアントラセン、ポリチオフェン誘導体、チオフェンオリゴマー誘導体、ピレンホルムアルデヒド樹脂、ポリアセチレン誘導体、及び、エチルカルバゾールホルムアルデヒド樹脂よりなる群から選択される高分子化合物、フルオレノン系、ジフェノキノン系、ベンゾキノン系、アントラキノン系、インデノン系化合物が挙げられるがこれに限定されるものでは無い。特にｐ型の有機半導体としてはペンタセンやチオフェンポリマーが高い移動度を持つ材料として知られている。
【００３３】
エミッタ半導体層３１の形成方法としては、真空蒸着法、あるいは塗布法等、従来公知の薄膜形成方法が好ましく用いられ、特に限定されないが、低コスト化のためには、スピンコート、インクジェット、ディップなどの液体プロセスを用いる事が望ましい。エミッタ半導体層３１の膜厚は、特に制限は無いが、実用的には平坦な連続膜が得られやすく、電気抵抗が過大とならない１０〜３００ｎｍが好適である。
【００３４】
本発明の第二電極２１の材料として用いられるものは、第一電極２０と基本的に同じであり、また第二電極２１の形成方法も第一電極２０と基本的に同じである。第二電極２１の膜厚は５０〜２００ｎｍが好ましい。
【００３５】
このように得られた本発明のトランジスタ素子は、図２に示すエネルギー準位を有する。エミッタ半導体層（第２半導体層）３１とベース電極４０の間に順バイアスの電界が印加されると、電子がベース電極に流入する。このとき電子は、エミッタ半導体層３１とベース電極４０のエネルギー差に相当し、室温相当よりも高いエネルギーを持つ電子（ホットエレクトロン）であり、ベース電極４０に流入した電子の大部分はベース電極４０を透過して、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０へ流入する。コレクタ半導体層３０へ流入した電子はベース電極４０と第一電極２０の間の電界により第一電極２０に至る。
【００３６】
また、上記のコレクタ半導体層３０、ベース電極４０、エミッタ半導体層３１のエネルギー準位は、例えば移動する電荷が電子である場合、図３に示すように、その電子親和力（ベース電極が金属である場合は仕事関数）の絶対値がコレクタ半導体層＜エミッタ半導体層＜ベース電極である必要がある。また、前述したように、エミッタ半導体層３１の電子親和力とベース電極４０の仕事関数は電子の注入障壁となる為、低い事が望ましい。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例を用いて、本発明のトランジスタ素子について更に詳細に説明する。
（実施例１）
以下の手順で、図１に示すような構成のトランジスタ素子を作成した。すなわち、基板１０としてガラス基板を用い、第一電極層２０、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０、ベース電極層４０、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１、第二電極層２１を、スパッタ法、もしくは真空蒸着法により、それぞれ１００ｎｍ、１００ｎｍ、２０ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍの厚さで順次薄膜形成し、実施例１のトランジスタ素子を形成した。各層成膜時の基板温度は室温とした。
【００３８】
各層の材料は、第一電極層２０、第二電極層２１としてそれぞれ銅、銀を用い、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０としてインジウム・ガリウム・亜鉛の複合酸化膜（ＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１）、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１として酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用い、それぞれスパッタ法により形成した。また、ベース電極層４０にはアルミニウム蒸着膜を用いた。
【００３９】
（実施例２）
エミッタ半導体層（第２半導体層）３１の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を、下記の方法より形成した以外は実施例１と同一の条件で成膜して、実施例２のトランジスタ素子を得た。即ち、Ｚｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏの水溶液（濃度０．１ｍｏｌ／Ｌ）とＬｉＯＨ／Ｈ２Ｏの水溶液（濃度０．１５ｍｏｌ／Ｌ）を混合した溶液中に、コレクタ半導体層３０およびベース電極４０を形成した基板１０を浸漬し、６０℃で4時間加熱した。これにより、酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜をベース電極４０上に形成する事が出来た。
【００４０】
（実施例３）
第二電極層２１を、Ａｇ微粒子分散液（真空冶金株式会社製、Ａｇナノメタルインク）を塗布する事により厚さ２００ｎｍの薄膜として形成した。第二電極層以外は実施例１と同一の条件で成膜して、実施例３のトランジスタ素子を得た。Ａｇ微粒子分散液を用いた成膜は、インクジェット法により所定の位置に塗布した後、２４０℃で３０分乾燥した。
【００４１】
（実施例４）
ベース電極層４０を、下記に示す化合物からなるチオフェン系導電性ポリマー溶液（Bayer社製 Baytron P TP Al 4083）を塗布する事により厚さ２０ｎｍの薄膜として形成した。ベース電極４０以外は実施例１と同一の条件で成膜して、実施例４のトランジスタ素子を得た。チオフェン系導電性ポリマー溶液による成膜は、スピンコート法（回転数３０００ｒｐｍ）で塗布した後、１２０℃で１２０分乾燥することにより行った。
【００４２】
【化Ｉ】
（実施例５）
以下の手順で、図１に示すような構成のトランジスタ素子を作成した。すなわち、基板１０としてガラス基板を用い、第一電極層２０、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０、ベース電極層４０、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１、第二電極層２１を、塗布法、もしくは真空蒸着法により、それぞれ１００ｎｍ、１００ｎｍ、２０ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍの厚さで順次薄膜形成し、実施例５のスイッチング素子を形成した。各層成膜時の基板温度は室温とした。
【００４３】
各層の材料は、第一電極層２０、第二電極層２１としてそれぞれ銀、金を用い、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０として酸化亜鉛（ＺｎＯ）、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１としてＣ６０（アルドリッチ社製）を用い、それぞれ塗布法、真空蒸着法により形成した。また、ベース電極層４０にはアルミニウム蒸着膜を用いた。酸化亜鉛（ＺｎＯ）は実施例２のエミッタ半導体層と同様の方法で形成した。
【００４４】
（比較例１）
基板１０としてガラス基板を用い、第一電極層２０、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０、ベース電極層４０、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１、第二電極層２１を、真空蒸着法により、それぞれ１００ｎｍ、１００ｎｍ、２０ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍの厚さで順次薄膜形成し、比較例１のトランジスタ素子を形成した。各層成膜時の基板温度は室温とした。
【００４５】
各層の材料は、第一電極層２０、第二電極層２１としてそれぞれ銅、銀を用い、コレクタ半導体層（第１半導体層）３０として化学式（ＩＩ）に示すペリレン系材料（アルドリッチ社製）、エミッタ半導体層（第２半導体層）３１として化学式（ＩＩＩ）に示すフラーレン（東京化成製）を用いた。また、ベース電極層４０にはアルミニウム蒸着膜を用いた。
【００４６】
【化２】
【化３】
【００４７】
上記実施例１〜５と比較例１は半導体がｎ型である。また、実施例１〜４と比較例１は第二電極（エミッタ電極）２１から第一電極（コレクタ電極）２０に電子が流すよう構成されているが、実施例５では第一電極（コレクタ電極）２０から第二電極（エミッタ電極）２１へ電子を流す設計となっている。上記の実施例１〜５、比較例１のトランジスタ素子について、ベース電極に対するコレクタ電極の電圧（コレクタ電圧）を５Ｖとし、ベース電極に対するエミッタ電極（エミッタ電圧）を０Ｖから−３Ｖへ変化させた時のコレクタ電流の変化を測定した。測定は室温、真空中で行った。結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】
実施例１〜５において良好なトランジスタ特性が得られ、コレクタ電流はエミッタ電圧により制御された。特に実施例１では、コレクタ電流としては５００ｍＡ／ｃｍ２以上が得られており、同様の構成で、有機材料のみを用いた比較例１に比して大きな電流密度が得られている。また、実施例２〜５については、ベース電極、エミッタ半導体層、第二電極の、少なくとも一つが、液体プロセスにより形成されているが、良好な素子特性が得られた。液体プロセスの真空プロセスに対するコスト比は、製造規模により異なるが、およそ３０〜６０％と考えられる。実施例１〜５、比較例１で示した５層構造では、塗布プロセス１層当り、上記相当のコストダウンが可能となる事になる。
これらの結果により、コレクタ半導体層に金属酸化物を用いる事で、電流密度などの素子特性が改善され、かつ、液体プロセスの適用が可能となって低コスト化も可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明のトランジスタ素子の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明のトランジスタ素子における、ｎ型半導体を用いた場合の動作原理を示した説明図。
【図３】本発明のトランジスタ素子における、ｎ型半導体を用いた場合のエネルギー準位を示した説明図。
【図４】従来の横型トランジスタ素子の一実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０：基板
２０：第一電極層
３０：コレクタ半導体層（第１半導体層）
４０：ベース電極
３１：エミッタ半導体層（第２半導体層）
２１：第二電極層
７１：基板
７２：ゲート電極
７３：ゲート電気絶縁層
７４：半導体層
７５：ソース電極層
７６：ドレイン電極層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第一電極と、コレクタ半導体層と、ベース電極と、エミッタ半導体層と、第二電極とが順次積層したトランジスタ素子であって、前記コレクタ半導体層と前記エミッタ半導体層の間にはベース電極が存在し、前記コレクタ半導体層が金属酸化物よりなるトランジスタ素子。
【請求項２】
前記ベース電極と、前記エミッタ半導体層と、前記第二電極とのうち少なくとも一つが液体プロセスにより形成される請求項１に記載のトランジスタ素子。
【請求項３】
前記コレクタ半導体層が、酸化亜鉛または酸化インジウムのうち少なくとも一つを含み、前記第二電極と前記第一電極との間に流れる電流が電子によるものである請求項１または２に記載のトランジスタ素子。
【請求項４】
前記コレクタ半導体層が、液体プロセスにより形成される請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のトランジスタ素子。
【請求項５】
基板上に第一電極を形成する工程と、前記第一電極上にコレクタ半導体層を形成する工程と、前記コレクタ半導体層上にベース電極を形成する工程と、前記ベース電極上にエミッタ半導体層を形成する工程と、前記エミッタ半導体層上に第二電極を形成する工程とを含むトランジスタ素子の製造方法であって、前記コレクタ半導体層と前記エミッタ半導体層の間にはベース電極が存在し、前記コレクタ半導体層が金属酸化物よりなるトランジスタ素子の製造方法。
【請求項６】
前記ベース電極と、前記エミッタ半導体層と、前記第二電極とのうち少なくとも一つが液体プロセスにより形成される請求項５に記載のトランジスタ素子の製造方法。
【請求項１】
基板上に、第一電極と、コレクタ半導体層と、ベース電極と、エミッタ半導体層と、第二電極とが順次積層したトランジスタ素子であって、前記コレクタ半導体層と前記エミッタ半導体層の間にはベース電極が存在し、前記コレクタ半導体層が金属酸化物よりなるトランジスタ素子。
【請求項２】
前記ベース電極と、前記エミッタ半導体層と、前記第二電極とのうち少なくとも一つが液体プロセスにより形成される請求項１に記載のトランジスタ素子。
【請求項３】
前記コレクタ半導体層が、酸化亜鉛または酸化インジウムのうち少なくとも一つを含み、前記第二電極と前記第一電極との間に流れる電流が電子によるものである請求項１または２に記載のトランジスタ素子。
【請求項４】
前記コレクタ半導体層が、液体プロセスにより形成される請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のトランジスタ素子。
【請求項５】
基板上に第一電極を形成する工程と、前記第一電極上にコレクタ半導体層を形成する工程と、前記コレクタ半導体層上にベース電極を形成する工程と、前記ベース電極上にエミッタ半導体層を形成する工程と、前記エミッタ半導体層上に第二電極を形成する工程とを含むトランジスタ素子の製造方法であって、前記コレクタ半導体層と前記エミッタ半導体層の間にはベース電極が存在し、前記コレクタ半導体層が金属酸化物よりなるトランジスタ素子の製造方法。
【請求項６】
前記ベース電極と、前記エミッタ半導体層と、前記第二電極とのうち少なくとも一つが液体プロセスにより形成される請求項５に記載のトランジスタ素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−７３９４６（Ｐ２０１０−７３９４６Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４０７４３（Ｐ２００８−２４０７４３）
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機ホールディングス株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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