半導体薄膜、半導体薄膜の形成方法、半導体装置
【課題】オン電流の向上を図ることでオン／オフ電流比を大きくとることが可能な半導体薄膜、およびこの半導体薄膜の形成方法、よびこの半導体薄膜を用いることでスイッチング特性の良好な半導体装置を提供する。
【解決手段】磁性微粒子とこれに結合した有機分子とからなる半導体薄膜７ａを、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間のチャネル領域として用いた半導体装置１ａである。この半導体薄膜７ａは、基板３（５）表面に磁性微粒子を分散させた状態で固定する工程と、有機分子を溶解させた溶媒に基板３（５）表面に固定した磁性微粒子を晒して結合させる工程とを行うことによって形成される。この半導体装置１ａは、半導体薄膜７ａにおける導電性が、磁界と共に電界によって制御されるように構成されている。
【解決手段】磁性微粒子とこれに結合した有機分子とからなる半導体薄膜７ａを、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間のチャネル領域として用いた半導体装置１ａである。この半導体薄膜７ａは、基板３（５）表面に磁性微粒子を分散させた状態で固定する工程と、有機分子を溶解させた溶媒に基板３（５）表面に固定した磁性微粒子を晒して結合させる工程とを行うことによって形成される。この半導体装置１ａは、半導体薄膜７ａにおける導電性が、磁界と共に電界によって制御されるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子と半導体分子とを結合させてなる半導体薄膜と、この半導体薄膜の形成方法、およびこれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体を利用した薄膜トランジスタ型の半導体装置は、チャネル層となる半導体薄膜を低温で塗布成膜することが可能である。このため、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）などの真空処理室を必要とする方法で成膜されるシリコン薄膜を半導体層として用いるＳｉ系無機半導体トランジスタと比較して、低コスト化に有利であると共に、プラスチック等の耐熱性はないがフレキシブルな基板上への形成も可能である。
【０００３】
このような中、同様に塗布成膜を用いた製造が可能な半導体装置として、導体または半導体からなる微粒子と、この微粒子と結合した有機半導体分子とによってネットワーク型の導電路を形成し、この導電路の導電性を電界によって制御される半導体層として用いた半導体装置およびその製造方法が提案されている。このような半導体装置においては、有機半導体分子の両端の官能基が微粒子と結合し、これによって微粒子と有機半導体分子とが互いに連結されたネットワーク型の導電路が形成される。
【０００４】
このような導電路を形成するには、先ず微粒子を溶媒に分散させた分散液を調製する。この際、微粒子同士が凝集して沈殿するのを防止するために保護膜分子を微粒子に結合させることにより、微粒子を保護膜で被覆した状態にしておくことが重要である。そして、この分散液に基板を浸漬して取り出した後、溶媒を蒸発させることにより、基板上に微粒子１層分の微粒子層を形成する。
【０００５】
続いて、微粒子と結合する官能基を両端に備えた有機半導体分子を溶媒に溶解させ、この溶液に基板を浸漬し取り出した後、溶媒を蒸発させる。これにより、有機半導体分子が保護膜分子を置換して微粒子の表面に結合する。この際、有機半導体分子の両端の官能基が、それぞれ異なる微粒子に結合し、有機半導体分子によって微粒子がネットワーク状に連結された１層目の半導体層が形成される。
【０００６】
以上の後は、微粒子層の形成と、有機半導体分子による保護膜分子の置換とを繰り返し行うことにより、２層目以降の半導体層を形成する（以上、下記特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２００４／００６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、有機半導体材料を用いた半導体装置は、通常のシリコン半導体装置と比較してオン電流が小さく、またオン／オフ電流比を大きくとることができない。
【０００９】
そこで本発明は、オン電流およびオン／オフ電流比の向上を図ることが可能な半導体薄膜、およびこの半導体薄膜の形成方法、よびこの半導体薄膜を用いることでスイッチング特性の良好な半導体装置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】
【００１０】
このような目的を達成するための本発明の半導体薄膜は、磁性微粒子と、当該磁性微粒子に結合した有機分子とからなることを特徴としている。
【００１１】
また本発明はこのような半導体薄膜の形成方法でもあり、第１の方法は、基板上に磁性微粒子を分散させた微粒子膜を形成した後、有機分子を溶解させた溶媒に微粒子膜を晒して磁性微粒子に当該有機分子を結合させる。
【００１２】
そして、このような半導体薄膜を用いた本発明の半導体装置は、半導体薄膜における導電性が磁界によって制御されるように構成されたものである。
【００１３】
以上のような構成の本発明では、半導体薄膜に磁性微粒子が導入されたことにより、当該半導体薄膜における導電性の制御に磁界が用いられようになる。これにより、有機分子における導電性を電界によって制御しつつ、さらに磁界による導電性の制御をアシスト的に行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば半導体薄膜の導電性の制御に電界に加えて磁界を用いることができることから、オン電流およびオン／オフ電流比の向上を図ることが可能になると共に、この半導体薄膜を用いた半導体装置のスイッチング特性の向上を図ることが可能になる。
【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を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
≪第１実施形態≫
図１は本発明を適用した半導体装置１ａの実施形態を示す断面図である。また、図２は本第１実施形態の半導体装置１ａの特徴部である半導体薄膜の拡大断面図である。
【００１７】
図１に示す半導体装置１ａは、ボトムゲート・トップコンタクト型の有機薄膜トランジスタであり、基板３をゲート電極として、この上部にゲート絶縁膜５および半導体薄膜７ａがこの順に設けられている。また半導体薄膜７ａ上には、互いに所定間隔だけ離間させてソース電極９ｓおよびドレイン電極９ｄが設けられている。
【００１８】
このような構成の半導体装置１ａにおいて、半導体薄膜７ａが本実施形態に特徴的な構成となっている。一方、基板３、ゲート絶縁膜５、ソース電極９ｓ、およびドレイン電極９ｄについては、特に構成の限定はなく、例えば通常の有機薄膜トランジスタと同様であって良い。以下、半導体装置１ａの各要素を下層側から順に説明する。
【００１９】
＜基板３＞
基板３は、例えば、ポリメチルメタクリレート（ポリメタクリル酸メチル、ＰＭＭＡ）やポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのプラスチック基板、ガラス、石英、マイカ（雲母）、又はシリコン基板等を用いる。プラスチック基板やマイカなどの可撓性を有する基板を用いると、例えば曲面形状をもつディスプレイのように、フレキシブルな形状の半導体装置を製造できる。
【００２０】
尚、本実施形態のように基板３がゲート電極を兼ねている場合には、不純物が導入されたシリコン基板のような導電性を有する基板が用いられる。
【００２１】
また、基板３とは別にゲート電極が設けられている場合、ゲート電極の材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホン酸［ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ］などの導電性高分子、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、インジウム（Ｉｎ）などの金属、あるいはこれらの金属を含有する合金、不純物を含有したポリシリコン等の導電性物質を用いることができる。
【００２２】
＜ゲート絶縁膜５＞
ゲート絶縁膜５は、半導体薄膜７ａの下地となる層であるため、磁性微粒子ｓとの密着性が良好な材料で構成されていることが好ましい。このようなゲート絶縁膜５は、シラノール誘導体、即ちシランカップリング剤からなることが好ましい。そして、基板３と磁性微粒子ｓとを、シランカップリング剤を介して化学的に結合させるには、一端に磁性微粒子と反応するアミノ基やチオール基等の官能基を持ち、もう一端に基板３表面の水酸基と反応するアルコキシル基等を有することが重要である。
【００２３】
尚、磁性微粒子ｓとの密着性を考慮する必要のない場合には、ゲート絶縁膜５は、通常の絶縁性材料を用いて構成されて良く、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）に例示される有機系絶縁材料、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、酸化ケイ素系材料（ＳｉＯX）、窒化ケイ素系材料（ＳｉＮY）、金属酸化物高誘電絶縁膜に代表される無機系絶縁材料、またはこれらを組み合わせたものを用いることができる。
【００２４】
＜半導体薄膜７ａ＞
半導体薄膜７ａは、図２に示すように、磁性微粒子ｓと有機分子ｍとで構成されている。これらの磁性微粒子ｓと有機分子ｍとは、有機分子ｍが両端に有する官能基によって磁性微粒子ｓと結合し、３次元的なネットワークを構成している。
【００２５】
このうち磁性微粒子ｓは、ＦｅＰｔからなる微粒子が粒径の均一性、酸化耐性の面から優れている。また、酸化鉄（特にＦｅ3Ｏ4とＦｅ2Ｏ3の混合物）はヒステリシスが見られないものとして好適に用いられる。またこの他にも、Ｃｏ、Ｍｎ、ＣｏＰｔ、Ｃｏ3Ｐｔ、ＦｅＣｏ、ＦｅＮｉ、ＦｅＰｄ、ＭｎＡｌ、ＣｏＰｔＣｒなどからなる微粒子を、磁性微粒子ｓとして用いることができる。
【００２６】
そして有機分子ｍは、有機半導体材料からなるものが好適に用いられる。このような有機分子ｍとしては、共役結合を有する有機半導体分子であって、分子の両端にチオール基（−ＳＨ）、アミノ基（−ＮＨ2）、イソシアノ基（−ＮＣ）、チオアセトキシル基（−ＳＣＯＣＨ3）又はカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有するものが好適に用いられる。具体的には、４，４’−ビフェニルジチオール（ＢＰＤＴ）、４，４’−ジイソシアノビフェニル、４，４’−ジイソシアノ−ｐ−テルフェニル、２，５−ビス（５’−チオアセトキシル−２’−チオフェニル）チオフェン、４，４’−ジイソシアノフェニル等、さらにはＢｏｖｉｎ Ｓｅｒｕｍ Ａｌｂｕｍｉｎ、Ｈｏｒｓｅ Ｒｅｄｉｓｈ Ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ、ａｎｔｉｂｏｄｙ−ａｎｔｉｇｅｎ等が挙げられる。これらはいずれも、π共役系分子であって、少なくとも２箇所で磁性微粒子ｓと化学的に結合する官能基を有している。
【００２７】
有機分子ｍは、磁性微粒子ｓと結合可能な官能基を１つのみ有しているものであっても良い。このような材料としては、例えば４−ビフェニルチオール、２−アミノチオフェン、２−イソシアノピロール、ベンゾニトリル、４−チオアセトキシル-[1,1';4',1"]-テルフェニルが好適に用いられる。
【００２８】
＜ソース電極９ｓ，ドレイン電極９ｄ＞
ソース電極９ｓ・ドレイン電極９ｄは、ゲート電極の材料として例示した材料を用いることが出来、例えば、ポリアニリン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホン酸［ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ］などの導電性高分子、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、インジウム（Ｉｎ）などの金属、あるいはこれらの金属を含有する合金、不純物を含有したポリシリコン等の導電性物質を用いることができる。
【００２９】
＜半導体装置の製造方法＞
次に、以上のような半導体薄膜７ａを用いた半導体装置１ａの製造方法を、半導体薄膜７ａの形成方法を中心に説明する。
【００３０】
先ず、ゲート電極を兼ねた基板３上に、ゲート絶縁膜５を形成する。ゲート絶縁膜５の形成は、用いる材料に応じて、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、塗布法、スピンコート法等を適用して行う。
【００３１】
次に、以下のようにしてゲート絶縁膜５上に半導体薄膜７ａを形成する。
【００３２】
この場合先ず、図３（１）に示すように、ゲート絶縁膜５で覆われた基板表面に、磁性微粒子ｓを分散させた状態で吸着固定させる。ここでは、磁性微粒子ｓを水や炭化水素系の溶媒に分散させた溶液を用い、塗布法、溶液浸漬法、スピンコート法、ＬＢ法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等を適用し、基板５上に液膜を形成する。その後余分な液および磁性微粒子ｓを基板５上から除去することで、ある程度の間隔で磁性微粒子ｓが分散された状態とする。
【００３３】
次に図３（２）に示すように、有機分子ｍを溶解させた溶液に基板５表面に分散させた磁性微粒子ｓを晒すことにより、磁性微粒子ｓに有機分子ｍを結合させ、有機分子ｍによって磁性微粒子ｓ同士を相互に結合させた状態とする。また、有機分子ｍ同士が一定の間隔を保てる範囲で、複数の有機分子ｍが磁性微粒子ｓに結合させる。ここでは、有機分子ｍを溶解させた溶液を用い、浸漬法、スピンコート法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法などを適用することにより、有機分子ｍを溶解させた溶液に磁性微粒子ｓを晒した状態とする。
【００３４】
尚、ここでは、磁性微粒子ｓと有機分子ｍとが結合してネットワークを構成することが好ましいが、磁性微粒子ｓと有機分子ｍとが結合しておらず、磁性微粒子ｓの層上に有機分子ｍの層が積層された状態となっても良い。また、有機分子ｍとして、磁性微粒子ｓと結合可能な官能基を１つのみ有しているものを用いた場合には、有機分子ｍを結合させた磁性微粒子ｓのそれぞれが独立した状態に保たれた構成となる。
【００３５】
以上の後、図３（３）に示すように、先の図３（１）と同様の工程を繰り返すことにより、第２層目の磁性微粒子ｓを分散させる。ここでは、有機分子ｍに磁性微粒子ｓが結合された状態となることで、３次元のネットワークが形成される。尚、有機分子ｍと磁性微粒子ｓとが結合しない場合には、有機分子ｍの層上に第２層目の磁性微粒子ｓの層が積層された状態となる。
【００３６】
次に、図３（４）に示すように、先の図３（２）と同様の工程を繰り返すことにより、第２層目の磁性微粒子ｓに有機分子ｍを結合させる。尚、有機分子ｍと磁性微粒子ｓとが結合しない場合には、磁性微粒子ｓの層上に第２層目の有機分子ｍの層が積層された状態となる。
【００３７】
以降、所定の膜厚に達するまで、図３（１）および図３（２）と同様の工程を繰り返すことにより、所定の膜厚を備えた半導体薄膜７ａを形成する。
【００３８】
その後は、図１に示したように、半導体薄膜７ａ上に、例えば金属(Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔなど)からなるソース電極９ｓ、ドレイン電極９ｄを蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等で形成する。
【００３９】
＜駆動方法＞
以上のようにして得られた第１実施形態の半導体装置１ａは、磁場形成手段の存在下において駆動されることにより、その機能が発揮される。
【００４０】
すなわち、この半導体装置１ａは、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間の半導体薄膜７ａ部分において、ソース電極９ｓからドレイン電極９ｄに向かって電流Ｉが流れるように、少なくともソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間の半導体薄膜７ａ部分に所定状態で磁界Ｈが印加されるように設けられた磁場形成手段の存在下で用いることが好ましい。このような磁場形成手段は、例えばスイッチング機能を備えた電磁コイルからなり、上記磁界Ｈの印加のオン／オフが、ゲート電極のオン／オフに連動するように構成されていることとする。
【００４１】
そして、半導体装置１ａのソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間にオン電流を流す場合には、ゲート電極を兼ねた基板３に電圧を印加し、かつ磁界Ｈをオンにする。これにより、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間の半導体薄膜７ａ部分の導電性が高められ、この分部にチャネルが形成されてソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間にオン電流が流れる。
【００４２】
一方、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間の電流をオフにする場合には、ゲート電極を兼ねた基板３に電圧を印加せる、かつ磁界Ｈをオフにする。これにより、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間の半導体薄膜７ａ部分の導電性が低くなり、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間が絶縁された状態とする。
【００４３】
以上説明した第１実施形態によれば、半導体薄膜７ａに磁性微粒子ｓが導入されたことにより、半導体薄膜７ａにおける導電性の制御に磁界Ｈが用いられようになる。これにより、有機分子における導電性をゲート電極のオン／オフによる電界によって制御しつつ、さらに磁界Ｈによる導電性の制御をアシスト的に行うことができる。
【００４４】
この結果、オン電流を増加させ、オン／オフ電流比の向上を図ることが可能になると共に、この半導体薄膜７ａを用いた半導体装置１ａのスイッチング特性の向上を図ることが可能になる。また、オン／オフ電流比が向上することにより、ヒステリシスの影響が小さく抑えられる効果もある。
【００４５】
さらに磁性微粒子ｓは、粒径のバラツキが小さいものを入手可能である。このため、粒径の均一な磁性微粒子ｓを用いることで導電性の面内バラツキが小さい半導体薄膜７ａを構成することができ、この半導体薄膜７ａを用いて半導体装置１ａにおける特性バラツキを小さく抑えることが可能である。
【００４６】
また、このように粒径分布の狭い磁性微粒子を用いることで、粒径制御の工程を省略することが可能である。
【００４７】
以上に加えて、磁性微粒子ｓとして水溶性の磁性微粒子を用いることで、有機溶媒の使用を抑えた半導体装置の製造が可能になる。しかも、磁力による磁性微粒子ｓの回収が可能であり、リサイクルが容易である。
【００４８】
≪第２実施形態≫
図４は、第２実施形態の半導体装置１ｂの特徴部である半導体薄膜７ｂの拡大断面図である。尚、半導体装置１ｂの全体構成は、第１実施形態と同様であることとし、重複する説明は省略する。
【００４９】
＜半導体薄膜７ｂ＞
すなわち、第２実施形態の半導体装置１ｂにおける半導体薄膜７ｂは、図４に示すように、磁性微粒子ｓと有機分子ｍと、さらに非磁性微粒子Ａとで構成されている。このうち、磁性微粒子ｓと非磁性微粒子Ａとが結合して結合微粒子ｓＡを構成している。また、有機分子ｍは、その両端に有する官能基によって結合微粒子ｓＡと結合し、３次元的なネットワークを構成している。
【００５０】
このうち磁性微粒子ｓと有機分子ｍとは、第１実施形態で説明したと同様の材料が用いられる。
【００５１】
また非磁性微粒子Ａは、導体としての金、銀、白金、銅又はアルミニウム、あるいは半導体としての硫化カドミウム、セレン化カドミウム又はシリコンからなる微粒子であることが好ましく、特には導電性の良好な金属微粒子であることが好ましい。また、その粒子径は１０ｎｍ以下であるのがよい。
【００５２】
ここで、非磁性微粒子(金属微粒子）Ａの形状としては球形が挙げられるが、本発明はこれに限るものではなく、例えば球形の他に、三角形、立方体、直方体、円錐等が挙げられる。
【００５３】
また、非磁性微粒子Ａが、１次元方向に異方性形状を持つ短径１０ｎｍ以下のナノロッド（又はナノファイバー）（Ｓｅｒ−Ｓｉｎｇ Ｃｈａｎｇ， Ｃｈａｏ−Ｗｅｎ Ｓｈｉｈ， Ｃｈｅｎｇ−Ｄａｈ Ｃｈｅｎ， Ｗｅｉ−Ｃｈｅｎｇ Ｌａｉ， ａｎｄ Ｃ． Ｒ． Ｃｈｒｉｓ Ｗａｎｇ，． “Ｔｈｅ Ｓｈａｐｅ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｏｌｄ Ｎａｎｏｒｏｄｓ” Ｌａｎｇｍｕｉｒ （１９９９）， １５， ７０１−７０９を参照。）又はナノチューブであってもよい。この場合、上記した前記ソース電極及びドレイン電極間の距離が前記ナノロッドの長径より短いのが好ましい。
【００５４】
非磁性微粒子Ａとして前記ナノロッド又はナノチューブを用いれば、仮にある程度サイズ（長径・短径）にバラつきがある場合でも、球形のナノ粒子に比べてより規則正しく、平行に配置できる可能性が高い。
【００５５】
＜半導体装置の製造方法−１＞
次に、以上のような半導体薄膜７ｂを用いた半導体装置１ｂの製造方法の第１例を、半導体薄膜７ｂの形成方法を中心に説明する。尚、半導体薄膜７ｂの形成方法以外は、第１実施形態と同様であるため、重複する説明は省略する。
【００５６】
先ず、図５（１）に示すように、ゲート絶縁膜５で覆われた基板表面に、非磁性微粒子Ａを分散させた状態で固定する。ここでは、非磁性微粒子Ａをトルエンやクロロフォルムなどの溶媒に分散させた溶液を用い、塗布法、溶液浸漬法、スピンコート法、ＬＢ法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等を適用し、基板５上に液膜を形成する。その後余分な液および非磁性微粒子Ａを基板５上から除去することで、ある程度の間隔で非磁性微粒子Ａが分散された状態とする。
【００５７】
またここで、非磁性微粒子Ａが金属微粒子である場合、鎖状非共役系分子を保護膜として持つ金属微粒子を基板５の表面に固定することとする。
【００５８】
次に、図５（２）に示すように、基板５表面に固定した非磁性微粒子Ａに対して、磁性微粒子ｓを結合させ、結合微粒子ｓＡとする。この工程は、磁性微粒子ｓを水や炭化水素系の溶媒に分散させた溶液中に、基板５を1日程度浸漬することにより行われる。またこのような浸漬法以外にも、磁性微粒子ｓを分散させた溶液を用い、塗布法、スピンコート法、LB法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等によって液膜を形成することによっても実施できる。以上の後には、余分な非磁性微粒子Ａおよび磁性微粒子ｓをアセトンや流水等で洗い流して除去する。
【００５９】
次に、図５（３）に示すように、有機分子ｍを溶解させた溶媒に結合微粒子ｓＡを晒すことにより、結合微粒子ｓＡに有機分子ｍを結合させる。これにより、有機分子ｍによって結合微粒子ｓＡ同士を相互に結合させた状態とする。また、有機分子ｍ同士が一定の間隔を保てる範囲で、複数の有機分子ｍが結合微粒子ｓＡに結合させる。ここでは、有機分子ｍを溶解させた溶液を用い、浸漬法、スピンコート法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法などを適用することにより、有機分子ｍを溶解させた溶液に結合微粒子ｓＡを晒した状態とする。
【００６０】
また、非磁性微粒子Ａが鎖状非共役系分子を保護膜として持つ金属微粒子である場合には、有機分子ｍによって保護膜分子を置換し、非磁性微粒子(金属微粒子）Ａの表面に有機分子ｍを結合させる。これにより、有機分子ｍの官能基が、非磁性微粒子Ａおよび磁性微粒子ｓに結合し、有機分子ｍによって微粒子同士をネットワーク状に結合させた状態とする。
【００６１】
尚、ここでは、結合微粒子ｓＡと有機分子ｍとが結合してネットワークを構成することが好ましいが、結合微粒子ｓＡと有機分子ｍとが結合しておらず、結合微粒子ｓＡの層上に有機分子ｍの層が積層された状態となっても良い。
【００６２】
次に、図５（４）に示すように、先の図５（１）と同様の工程を繰り返すことにより、第２層目の非磁性微粒子Ａを分散させる。ここでは、有機分子ｍに非磁性微粒子Ａが結合された状態となることで、３次元のネットワークが形成される。尚、有機分子ｍと非磁性微粒子Ａとが結合しない場合には、有機分子ｍの層上に第２層目の非磁性微粒子Ａの層が積層された状態となる。
【００６３】
以上の後には、先の図５（２）と同様の工程を繰り返すことにより、第２層目の磁性微粒子ｓに非磁性微粒子Ａを結合させ、２層目の結合微粒子ｓＡを形成する。
【００６４】
以降、所定の膜厚に達するまで、図５（３）および図５（４）、さらに図５（２）と同様の工程を繰り返すことにより、所定の膜厚を備えた半導体薄膜７ｂを形成する。
【００６５】
その後は、図１に示したように、半導体薄膜７ｂ上に、例えば金属(Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔなど)からなるソース電極９ｓ、ドレイン電極９ｄを蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等で形成する。
【００６６】
＜半導体装置の製造方法−２＞
次に、以上のような半導体薄膜７ｂを用いた半導体装置１ｂの製造方法の第２例を、図６に基づいて説明する。
【００６７】
先ず、図６（１）に示すように、ゲート絶縁膜５で覆われた基板表面に、非磁性微粒子Ａを分散させた状態で固定する。この工程は、先の第１例で図５（１）を用いて説明したと同様に行うこととする。
【００６８】
次に、図６（２）に示すように、有機分子ｍと磁性微粒子ｓとを含有する溶液に基板５表面に固定させた非磁性微粒子Ａを晒すことにより、非磁性微粒子Ａに対して磁性微粒子ｓを結合させて結合微粒子ｓＡを形成すると共に、この結合微粒子ｓＡに有機分子ｍを結合させる。これにより、有機分子ｍによって結合微粒子ｓＡ同士を相互に結合させた状態とする。また、有機分子ｍ同士が一定の間隔を保てる範囲で、複数の有機分子ｍを結合微粒子ｓＡに結合させる。
【００６９】
この際、例えば、磁性微粒子ｓを水溶液または炭化水素系溶液に溶かした溶液と、有機分子ｍ（例えばオクタンチオール）のトルエン溶液とを混合した混合液を用い、浸漬法、スピンコート法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法などを適用することにより、有機分子ｍと磁性微粒子ｓとを含有する溶液に非磁性微粒子Ａを晒した状態とする。以上の後には、余分な非磁性微粒子Ａおよび磁性微粒子ｓをアセトンや流水等で洗い流して除去する。
【００７０】
また、非磁性微粒子Ａが鎖状非共役系分子を保護膜として持つ金属微粒子である場合には、有機分子ｍによって保護膜分子を置換し、非磁性微粒子(金属微粒子）Ａの表面に有機分子ｍを結合させる。これにより、有機分子ｍの官能基が、非磁性微粒子Ａおよび磁性微粒子ｓに結合し、有機分子ｍによって微粒子同士をネットワーク状に結合させた状態とする。
【００７１】
尚、ここでは、結合微粒子ｓＡと有機分子ｍとが結合してネットワークを構成することが好ましいが、結合微粒子ｓＡと有機分子ｍとが結合しておらず、結合微粒子ｓＡの層上に有機分子ｍの層が積層された状態となっても良い。
【００７２】
次に、図６（３）に示すように、先の図６（１）と同様の工程を繰り返すことにより、第２層目の非磁性微粒子Ａを分散させる。ここでは、有機分子ｍに非磁性微粒子Ａが結合された状態となることで、３次元のネットワークが形成される。尚、有機分子ｍと非磁性微粒子Ａとが結合しない場合には、有機分子ｍの層上に第２層目の非磁性微粒子Ａの層が積層された状態となる。
【００７３】
以降、所定の膜厚に達するまで、図６（２）および図６（３）と同様の工程を繰り返すことにより、所定の膜厚を備えた半導体薄膜７ｂを形成する。
【００７４】
その後は、図１に示したように、半導体薄膜７ｂ上に、例えば金属(Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔなど)からなるソース電極９ｓ、ドレイン電極９ｄを蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等で形成する。
【００７５】
＜駆動方法＞
以上の第１例または第２例を適用して得られた第２実施形態の半導体装置１ｂの駆動方法は、第１実施形態の半導体装置と同様であり、磁場形成手段の存在下において駆動されることにより、その機能が発揮される。
【００７６】
以上説明した第２実施形態であっても、半導体薄膜７ｂに磁性微粒子ｓが導入されたことにより、半導体薄膜７ｂにおける導電性の制御に磁界Ｈが用いられようになる。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００７７】
尚、上述した各実施形態においては、半導体装置１ａ，１ｂとしてボトムゲート・トップコンタクト型の有機薄膜トランジスタを例示した。しかしながら、半導体装置が有機薄膜トランジスタである場合、その構成はボトムゲート・ボトムコンタクト型、トップゲート・ボトムコンタクト型、トップゲート・トップコンタクト型の何れであっても良い。また、半導体装置が有機薄膜トランジスタである場合に限定されることはなく、半導体薄膜を用いた構成に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】実施形態の半導体装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の半導体装置の特徴部である半導体薄膜の拡大断面図である。
【図３】第１実施形態の半導体薄膜の形成方法を示す工程図である。
【図４】第２実施形態の半導体装置の特徴部である半導体薄膜の拡大断面図である。
【図５】第２実施形態の半導体薄膜の形成方法（第１例）を示す工程図である。
【図６】第２実施形態の半導体薄膜の形成方法（第２例）を示す工程図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ａ，１ｂ…半導体装置、３…基板、７ａ，７ｂ…半導体薄膜、９ｓ…ソース電極、９ｂ…ドレイン電極、Ａ…非磁性微粒子、ｍ…有機分子、ｓ…磁性微粒子，ｓＡ…結合微粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子と半導体分子とを結合させてなる半導体薄膜と、この半導体薄膜の形成方法、およびこれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体を利用した薄膜トランジスタ型の半導体装置は、チャネル層となる半導体薄膜を低温で塗布成膜することが可能である。このため、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）などの真空処理室を必要とする方法で成膜されるシリコン薄膜を半導体層として用いるＳｉ系無機半導体トランジスタと比較して、低コスト化に有利であると共に、プラスチック等の耐熱性はないがフレキシブルな基板上への形成も可能である。
【０００３】
このような中、同様に塗布成膜を用いた製造が可能な半導体装置として、導体または半導体からなる微粒子と、この微粒子と結合した有機半導体分子とによってネットワーク型の導電路を形成し、この導電路の導電性を電界によって制御される半導体層として用いた半導体装置およびその製造方法が提案されている。このような半導体装置においては、有機半導体分子の両端の官能基が微粒子と結合し、これによって微粒子と有機半導体分子とが互いに連結されたネットワーク型の導電路が形成される。
【０００４】
このような導電路を形成するには、先ず微粒子を溶媒に分散させた分散液を調製する。この際、微粒子同士が凝集して沈殿するのを防止するために保護膜分子を微粒子に結合させることにより、微粒子を保護膜で被覆した状態にしておくことが重要である。そして、この分散液に基板を浸漬して取り出した後、溶媒を蒸発させることにより、基板上に微粒子１層分の微粒子層を形成する。
【０００５】
続いて、微粒子と結合する官能基を両端に備えた有機半導体分子を溶媒に溶解させ、この溶液に基板を浸漬し取り出した後、溶媒を蒸発させる。これにより、有機半導体分子が保護膜分子を置換して微粒子の表面に結合する。この際、有機半導体分子の両端の官能基が、それぞれ異なる微粒子に結合し、有機半導体分子によって微粒子がネットワーク状に連結された１層目の半導体層が形成される。
【０００６】
以上の後は、微粒子層の形成と、有機半導体分子による保護膜分子の置換とを繰り返し行うことにより、２層目以降の半導体層を形成する（以上、下記特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２００４／００６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、有機半導体材料を用いた半導体装置は、通常のシリコン半導体装置と比較してオン電流が小さく、またオン／オフ電流比を大きくとることができない。
【０００９】
そこで本発明は、オン電流およびオン／オフ電流比の向上を図ることが可能な半導体薄膜、およびこの半導体薄膜の形成方法、よびこの半導体薄膜を用いることでスイッチング特性の良好な半導体装置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】
【００１０】
このような目的を達成するための本発明の半導体薄膜は、磁性微粒子と、当該磁性微粒子に結合した有機分子とからなることを特徴としている。
【００１１】
また本発明はこのような半導体薄膜の形成方法でもあり、第１の方法は、基板上に磁性微粒子を分散させた微粒子膜を形成した後、有機分子を溶解させた溶媒に微粒子膜を晒して磁性微粒子に当該有機分子を結合させる。
【００１２】
そして、このような半導体薄膜を用いた本発明の半導体装置は、半導体薄膜における導電性が磁界によって制御されるように構成されたものである。
【００１３】
以上のような構成の本発明では、半導体薄膜に磁性微粒子が導入されたことにより、当該半導体薄膜における導電性の制御に磁界が用いられようになる。これにより、有機分子における導電性を電界によって制御しつつ、さらに磁界による導電性の制御をアシスト的に行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば半導体薄膜の導電性の制御に電界に加えて磁界を用いることができることから、オン電流およびオン／オフ電流比の向上を図ることが可能になると共に、この半導体薄膜を用いた半導体装置のスイッチング特性の向上を図ることが可能になる。
【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を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
≪第１実施形態≫
図１は本発明を適用した半導体装置１ａの実施形態を示す断面図である。また、図２は本第１実施形態の半導体装置１ａの特徴部である半導体薄膜の拡大断面図である。
【００１７】
図１に示す半導体装置１ａは、ボトムゲート・トップコンタクト型の有機薄膜トランジスタであり、基板３をゲート電極として、この上部にゲート絶縁膜５および半導体薄膜７ａがこの順に設けられている。また半導体薄膜７ａ上には、互いに所定間隔だけ離間させてソース電極９ｓおよびドレイン電極９ｄが設けられている。
【００１８】
このような構成の半導体装置１ａにおいて、半導体薄膜７ａが本実施形態に特徴的な構成となっている。一方、基板３、ゲート絶縁膜５、ソース電極９ｓ、およびドレイン電極９ｄについては、特に構成の限定はなく、例えば通常の有機薄膜トランジスタと同様であって良い。以下、半導体装置１ａの各要素を下層側から順に説明する。
【００１９】
＜基板３＞
基板３は、例えば、ポリメチルメタクリレート（ポリメタクリル酸メチル、ＰＭＭＡ）やポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのプラスチック基板、ガラス、石英、マイカ（雲母）、又はシリコン基板等を用いる。プラスチック基板やマイカなどの可撓性を有する基板を用いると、例えば曲面形状をもつディスプレイのように、フレキシブルな形状の半導体装置を製造できる。
【００２０】
尚、本実施形態のように基板３がゲート電極を兼ねている場合には、不純物が導入されたシリコン基板のような導電性を有する基板が用いられる。
【００２１】
また、基板３とは別にゲート電極が設けられている場合、ゲート電極の材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホン酸［ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ］などの導電性高分子、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、インジウム（Ｉｎ）などの金属、あるいはこれらの金属を含有する合金、不純物を含有したポリシリコン等の導電性物質を用いることができる。
【００２２】
＜ゲート絶縁膜５＞
ゲート絶縁膜５は、半導体薄膜７ａの下地となる層であるため、磁性微粒子ｓとの密着性が良好な材料で構成されていることが好ましい。このようなゲート絶縁膜５は、シラノール誘導体、即ちシランカップリング剤からなることが好ましい。そして、基板３と磁性微粒子ｓとを、シランカップリング剤を介して化学的に結合させるには、一端に磁性微粒子と反応するアミノ基やチオール基等の官能基を持ち、もう一端に基板３表面の水酸基と反応するアルコキシル基等を有することが重要である。
【００２３】
尚、磁性微粒子ｓとの密着性を考慮する必要のない場合には、ゲート絶縁膜５は、通常の絶縁性材料を用いて構成されて良く、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）に例示される有機系絶縁材料、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、酸化ケイ素系材料（ＳｉＯX）、窒化ケイ素系材料（ＳｉＮY）、金属酸化物高誘電絶縁膜に代表される無機系絶縁材料、またはこれらを組み合わせたものを用いることができる。
【００２４】
＜半導体薄膜７ａ＞
半導体薄膜７ａは、図２に示すように、磁性微粒子ｓと有機分子ｍとで構成されている。これらの磁性微粒子ｓと有機分子ｍとは、有機分子ｍが両端に有する官能基によって磁性微粒子ｓと結合し、３次元的なネットワークを構成している。
【００２５】
このうち磁性微粒子ｓは、ＦｅＰｔからなる微粒子が粒径の均一性、酸化耐性の面から優れている。また、酸化鉄（特にＦｅ3Ｏ4とＦｅ2Ｏ3の混合物）はヒステリシスが見られないものとして好適に用いられる。またこの他にも、Ｃｏ、Ｍｎ、ＣｏＰｔ、Ｃｏ3Ｐｔ、ＦｅＣｏ、ＦｅＮｉ、ＦｅＰｄ、ＭｎＡｌ、ＣｏＰｔＣｒなどからなる微粒子を、磁性微粒子ｓとして用いることができる。
【００２６】
そして有機分子ｍは、有機半導体材料からなるものが好適に用いられる。このような有機分子ｍとしては、共役結合を有する有機半導体分子であって、分子の両端にチオール基（−ＳＨ）、アミノ基（−ＮＨ2）、イソシアノ基（−ＮＣ）、チオアセトキシル基（−ＳＣＯＣＨ3）又はカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有するものが好適に用いられる。具体的には、４，４’−ビフェニルジチオール（ＢＰＤＴ）、４，４’−ジイソシアノビフェニル、４，４’−ジイソシアノ−ｐ−テルフェニル、２，５−ビス（５’−チオアセトキシル−２’−チオフェニル）チオフェン、４，４’−ジイソシアノフェニル等、さらにはＢｏｖｉｎ Ｓｅｒｕｍ Ａｌｂｕｍｉｎ、Ｈｏｒｓｅ Ｒｅｄｉｓｈ Ｐｅｒｏｘｉｄａｓｅ、ａｎｔｉｂｏｄｙ−ａｎｔｉｇｅｎ等が挙げられる。これらはいずれも、π共役系分子であって、少なくとも２箇所で磁性微粒子ｓと化学的に結合する官能基を有している。
【００２７】
有機分子ｍは、磁性微粒子ｓと結合可能な官能基を１つのみ有しているものであっても良い。このような材料としては、例えば４−ビフェニルチオール、２−アミノチオフェン、２−イソシアノピロール、ベンゾニトリル、４−チオアセトキシル-[1,1';4',1"]-テルフェニルが好適に用いられる。
【００２８】
＜ソース電極９ｓ，ドレイン電極９ｄ＞
ソース電極９ｓ・ドレイン電極９ｄは、ゲート電極の材料として例示した材料を用いることが出来、例えば、ポリアニリン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリスチレンスルホン酸［ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ］などの導電性高分子、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、インジウム（Ｉｎ）などの金属、あるいはこれらの金属を含有する合金、不純物を含有したポリシリコン等の導電性物質を用いることができる。
【００２９】
＜半導体装置の製造方法＞
次に、以上のような半導体薄膜７ａを用いた半導体装置１ａの製造方法を、半導体薄膜７ａの形成方法を中心に説明する。
【００３０】
先ず、ゲート電極を兼ねた基板３上に、ゲート絶縁膜５を形成する。ゲート絶縁膜５の形成は、用いる材料に応じて、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、塗布法、スピンコート法等を適用して行う。
【００３１】
次に、以下のようにしてゲート絶縁膜５上に半導体薄膜７ａを形成する。
【００３２】
この場合先ず、図３（１）に示すように、ゲート絶縁膜５で覆われた基板表面に、磁性微粒子ｓを分散させた状態で吸着固定させる。ここでは、磁性微粒子ｓを水や炭化水素系の溶媒に分散させた溶液を用い、塗布法、溶液浸漬法、スピンコート法、ＬＢ法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等を適用し、基板５上に液膜を形成する。その後余分な液および磁性微粒子ｓを基板５上から除去することで、ある程度の間隔で磁性微粒子ｓが分散された状態とする。
【００３３】
次に図３（２）に示すように、有機分子ｍを溶解させた溶液に基板５表面に分散させた磁性微粒子ｓを晒すことにより、磁性微粒子ｓに有機分子ｍを結合させ、有機分子ｍによって磁性微粒子ｓ同士を相互に結合させた状態とする。また、有機分子ｍ同士が一定の間隔を保てる範囲で、複数の有機分子ｍが磁性微粒子ｓに結合させる。ここでは、有機分子ｍを溶解させた溶液を用い、浸漬法、スピンコート法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法などを適用することにより、有機分子ｍを溶解させた溶液に磁性微粒子ｓを晒した状態とする。
【００３４】
尚、ここでは、磁性微粒子ｓと有機分子ｍとが結合してネットワークを構成することが好ましいが、磁性微粒子ｓと有機分子ｍとが結合しておらず、磁性微粒子ｓの層上に有機分子ｍの層が積層された状態となっても良い。また、有機分子ｍとして、磁性微粒子ｓと結合可能な官能基を１つのみ有しているものを用いた場合には、有機分子ｍを結合させた磁性微粒子ｓのそれぞれが独立した状態に保たれた構成となる。
【００３５】
以上の後、図３（３）に示すように、先の図３（１）と同様の工程を繰り返すことにより、第２層目の磁性微粒子ｓを分散させる。ここでは、有機分子ｍに磁性微粒子ｓが結合された状態となることで、３次元のネットワークが形成される。尚、有機分子ｍと磁性微粒子ｓとが結合しない場合には、有機分子ｍの層上に第２層目の磁性微粒子ｓの層が積層された状態となる。
【００３６】
次に、図３（４）に示すように、先の図３（２）と同様の工程を繰り返すことにより、第２層目の磁性微粒子ｓに有機分子ｍを結合させる。尚、有機分子ｍと磁性微粒子ｓとが結合しない場合には、磁性微粒子ｓの層上に第２層目の有機分子ｍの層が積層された状態となる。
【００３７】
以降、所定の膜厚に達するまで、図３（１）および図３（２）と同様の工程を繰り返すことにより、所定の膜厚を備えた半導体薄膜７ａを形成する。
【００３８】
その後は、図１に示したように、半導体薄膜７ａ上に、例えば金属(Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔなど)からなるソース電極９ｓ、ドレイン電極９ｄを蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等で形成する。
【００３９】
＜駆動方法＞
以上のようにして得られた第１実施形態の半導体装置１ａは、磁場形成手段の存在下において駆動されることにより、その機能が発揮される。
【００４０】
すなわち、この半導体装置１ａは、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間の半導体薄膜７ａ部分において、ソース電極９ｓからドレイン電極９ｄに向かって電流Ｉが流れるように、少なくともソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間の半導体薄膜７ａ部分に所定状態で磁界Ｈが印加されるように設けられた磁場形成手段の存在下で用いることが好ましい。このような磁場形成手段は、例えばスイッチング機能を備えた電磁コイルからなり、上記磁界Ｈの印加のオン／オフが、ゲート電極のオン／オフに連動するように構成されていることとする。
【００４１】
そして、半導体装置１ａのソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間にオン電流を流す場合には、ゲート電極を兼ねた基板３に電圧を印加し、かつ磁界Ｈをオンにする。これにより、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間の半導体薄膜７ａ部分の導電性が高められ、この分部にチャネルが形成されてソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間にオン電流が流れる。
【００４２】
一方、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間の電流をオフにする場合には、ゲート電極を兼ねた基板３に電圧を印加せる、かつ磁界Ｈをオフにする。これにより、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間の半導体薄膜７ａ部分の導電性が低くなり、ソース電極９ｓ−ドレイン電極９ｄ間が絶縁された状態とする。
【００４３】
以上説明した第１実施形態によれば、半導体薄膜７ａに磁性微粒子ｓが導入されたことにより、半導体薄膜７ａにおける導電性の制御に磁界Ｈが用いられようになる。これにより、有機分子における導電性をゲート電極のオン／オフによる電界によって制御しつつ、さらに磁界Ｈによる導電性の制御をアシスト的に行うことができる。
【００４４】
この結果、オン電流を増加させ、オン／オフ電流比の向上を図ることが可能になると共に、この半導体薄膜７ａを用いた半導体装置１ａのスイッチング特性の向上を図ることが可能になる。また、オン／オフ電流比が向上することにより、ヒステリシスの影響が小さく抑えられる効果もある。
【００４５】
さらに磁性微粒子ｓは、粒径のバラツキが小さいものを入手可能である。このため、粒径の均一な磁性微粒子ｓを用いることで導電性の面内バラツキが小さい半導体薄膜７ａを構成することができ、この半導体薄膜７ａを用いて半導体装置１ａにおける特性バラツキを小さく抑えることが可能である。
【００４６】
また、このように粒径分布の狭い磁性微粒子を用いることで、粒径制御の工程を省略することが可能である。
【００４７】
以上に加えて、磁性微粒子ｓとして水溶性の磁性微粒子を用いることで、有機溶媒の使用を抑えた半導体装置の製造が可能になる。しかも、磁力による磁性微粒子ｓの回収が可能であり、リサイクルが容易である。
【００４８】
≪第２実施形態≫
図４は、第２実施形態の半導体装置１ｂの特徴部である半導体薄膜７ｂの拡大断面図である。尚、半導体装置１ｂの全体構成は、第１実施形態と同様であることとし、重複する説明は省略する。
【００４９】
＜半導体薄膜７ｂ＞
すなわち、第２実施形態の半導体装置１ｂにおける半導体薄膜７ｂは、図４に示すように、磁性微粒子ｓと有機分子ｍと、さらに非磁性微粒子Ａとで構成されている。このうち、磁性微粒子ｓと非磁性微粒子Ａとが結合して結合微粒子ｓＡを構成している。また、有機分子ｍは、その両端に有する官能基によって結合微粒子ｓＡと結合し、３次元的なネットワークを構成している。
【００５０】
このうち磁性微粒子ｓと有機分子ｍとは、第１実施形態で説明したと同様の材料が用いられる。
【００５１】
また非磁性微粒子Ａは、導体としての金、銀、白金、銅又はアルミニウム、あるいは半導体としての硫化カドミウム、セレン化カドミウム又はシリコンからなる微粒子であることが好ましく、特には導電性の良好な金属微粒子であることが好ましい。また、その粒子径は１０ｎｍ以下であるのがよい。
【００５２】
ここで、非磁性微粒子(金属微粒子）Ａの形状としては球形が挙げられるが、本発明はこれに限るものではなく、例えば球形の他に、三角形、立方体、直方体、円錐等が挙げられる。
【００５３】
また、非磁性微粒子Ａが、１次元方向に異方性形状を持つ短径１０ｎｍ以下のナノロッド（又はナノファイバー）（Ｓｅｒ−Ｓｉｎｇ Ｃｈａｎｇ， Ｃｈａｏ−Ｗｅｎ Ｓｈｉｈ， Ｃｈｅｎｇ−Ｄａｈ Ｃｈｅｎ， Ｗｅｉ−Ｃｈｅｎｇ Ｌａｉ， ａｎｄ Ｃ． Ｒ． Ｃｈｒｉｓ Ｗａｎｇ，． “Ｔｈｅ Ｓｈａｐｅ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｏｌｄ Ｎａｎｏｒｏｄｓ” Ｌａｎｇｍｕｉｒ （１９９９）， １５， ７０１−７０９を参照。）又はナノチューブであってもよい。この場合、上記した前記ソース電極及びドレイン電極間の距離が前記ナノロッドの長径より短いのが好ましい。
【００５４】
非磁性微粒子Ａとして前記ナノロッド又はナノチューブを用いれば、仮にある程度サイズ（長径・短径）にバラつきがある場合でも、球形のナノ粒子に比べてより規則正しく、平行に配置できる可能性が高い。
【００５５】
＜半導体装置の製造方法−１＞
次に、以上のような半導体薄膜７ｂを用いた半導体装置１ｂの製造方法の第１例を、半導体薄膜７ｂの形成方法を中心に説明する。尚、半導体薄膜７ｂの形成方法以外は、第１実施形態と同様であるため、重複する説明は省略する。
【００５６】
先ず、図５（１）に示すように、ゲート絶縁膜５で覆われた基板表面に、非磁性微粒子Ａを分散させた状態で固定する。ここでは、非磁性微粒子Ａをトルエンやクロロフォルムなどの溶媒に分散させた溶液を用い、塗布法、溶液浸漬法、スピンコート法、ＬＢ法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等を適用し、基板５上に液膜を形成する。その後余分な液および非磁性微粒子Ａを基板５上から除去することで、ある程度の間隔で非磁性微粒子Ａが分散された状態とする。
【００５７】
またここで、非磁性微粒子Ａが金属微粒子である場合、鎖状非共役系分子を保護膜として持つ金属微粒子を基板５の表面に固定することとする。
【００５８】
次に、図５（２）に示すように、基板５表面に固定した非磁性微粒子Ａに対して、磁性微粒子ｓを結合させ、結合微粒子ｓＡとする。この工程は、磁性微粒子ｓを水や炭化水素系の溶媒に分散させた溶液中に、基板５を1日程度浸漬することにより行われる。またこのような浸漬法以外にも、磁性微粒子ｓを分散させた溶液を用い、塗布法、スピンコート法、LB法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等によって液膜を形成することによっても実施できる。以上の後には、余分な非磁性微粒子Ａおよび磁性微粒子ｓをアセトンや流水等で洗い流して除去する。
【００５９】
次に、図５（３）に示すように、有機分子ｍを溶解させた溶媒に結合微粒子ｓＡを晒すことにより、結合微粒子ｓＡに有機分子ｍを結合させる。これにより、有機分子ｍによって結合微粒子ｓＡ同士を相互に結合させた状態とする。また、有機分子ｍ同士が一定の間隔を保てる範囲で、複数の有機分子ｍが結合微粒子ｓＡに結合させる。ここでは、有機分子ｍを溶解させた溶液を用い、浸漬法、スピンコート法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法などを適用することにより、有機分子ｍを溶解させた溶液に結合微粒子ｓＡを晒した状態とする。
【００６０】
また、非磁性微粒子Ａが鎖状非共役系分子を保護膜として持つ金属微粒子である場合には、有機分子ｍによって保護膜分子を置換し、非磁性微粒子(金属微粒子）Ａの表面に有機分子ｍを結合させる。これにより、有機分子ｍの官能基が、非磁性微粒子Ａおよび磁性微粒子ｓに結合し、有機分子ｍによって微粒子同士をネットワーク状に結合させた状態とする。
【００６１】
尚、ここでは、結合微粒子ｓＡと有機分子ｍとが結合してネットワークを構成することが好ましいが、結合微粒子ｓＡと有機分子ｍとが結合しておらず、結合微粒子ｓＡの層上に有機分子ｍの層が積層された状態となっても良い。
【００６２】
次に、図５（４）に示すように、先の図５（１）と同様の工程を繰り返すことにより、第２層目の非磁性微粒子Ａを分散させる。ここでは、有機分子ｍに非磁性微粒子Ａが結合された状態となることで、３次元のネットワークが形成される。尚、有機分子ｍと非磁性微粒子Ａとが結合しない場合には、有機分子ｍの層上に第２層目の非磁性微粒子Ａの層が積層された状態となる。
【００６３】
以上の後には、先の図５（２）と同様の工程を繰り返すことにより、第２層目の磁性微粒子ｓに非磁性微粒子Ａを結合させ、２層目の結合微粒子ｓＡを形成する。
【００６４】
以降、所定の膜厚に達するまで、図５（３）および図５（４）、さらに図５（２）と同様の工程を繰り返すことにより、所定の膜厚を備えた半導体薄膜７ｂを形成する。
【００６５】
その後は、図１に示したように、半導体薄膜７ｂ上に、例えば金属(Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔなど)からなるソース電極９ｓ、ドレイン電極９ｄを蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等で形成する。
【００６６】
＜半導体装置の製造方法−２＞
次に、以上のような半導体薄膜７ｂを用いた半導体装置１ｂの製造方法の第２例を、図６に基づいて説明する。
【００６７】
先ず、図６（１）に示すように、ゲート絶縁膜５で覆われた基板表面に、非磁性微粒子Ａを分散させた状態で固定する。この工程は、先の第１例で図５（１）を用いて説明したと同様に行うこととする。
【００６８】
次に、図６（２）に示すように、有機分子ｍと磁性微粒子ｓとを含有する溶液に基板５表面に固定させた非磁性微粒子Ａを晒すことにより、非磁性微粒子Ａに対して磁性微粒子ｓを結合させて結合微粒子ｓＡを形成すると共に、この結合微粒子ｓＡに有機分子ｍを結合させる。これにより、有機分子ｍによって結合微粒子ｓＡ同士を相互に結合させた状態とする。また、有機分子ｍ同士が一定の間隔を保てる範囲で、複数の有機分子ｍを結合微粒子ｓＡに結合させる。
【００６９】
この際、例えば、磁性微粒子ｓを水溶液または炭化水素系溶液に溶かした溶液と、有機分子ｍ（例えばオクタンチオール）のトルエン溶液とを混合した混合液を用い、浸漬法、スピンコート法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法などを適用することにより、有機分子ｍと磁性微粒子ｓとを含有する溶液に非磁性微粒子Ａを晒した状態とする。以上の後には、余分な非磁性微粒子Ａおよび磁性微粒子ｓをアセトンや流水等で洗い流して除去する。
【００７０】
また、非磁性微粒子Ａが鎖状非共役系分子を保護膜として持つ金属微粒子である場合には、有機分子ｍによって保護膜分子を置換し、非磁性微粒子(金属微粒子）Ａの表面に有機分子ｍを結合させる。これにより、有機分子ｍの官能基が、非磁性微粒子Ａおよび磁性微粒子ｓに結合し、有機分子ｍによって微粒子同士をネットワーク状に結合させた状態とする。
【００７１】
尚、ここでは、結合微粒子ｓＡと有機分子ｍとが結合してネットワークを構成することが好ましいが、結合微粒子ｓＡと有機分子ｍとが結合しておらず、結合微粒子ｓＡの層上に有機分子ｍの層が積層された状態となっても良い。
【００７２】
次に、図６（３）に示すように、先の図６（１）と同様の工程を繰り返すことにより、第２層目の非磁性微粒子Ａを分散させる。ここでは、有機分子ｍに非磁性微粒子Ａが結合された状態となることで、３次元のネットワークが形成される。尚、有機分子ｍと非磁性微粒子Ａとが結合しない場合には、有機分子ｍの層上に第２層目の非磁性微粒子Ａの層が積層された状態となる。
【００７３】
以降、所定の膜厚に達するまで、図６（２）および図６（３）と同様の工程を繰り返すことにより、所定の膜厚を備えた半導体薄膜７ｂを形成する。
【００７４】
その後は、図１に示したように、半導体薄膜７ｂ上に、例えば金属(Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔなど)からなるソース電極９ｓ、ドレイン電極９ｄを蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、インクジェット法、スクリーン印刷法、スプレー法、ディップコート法、モールド転写法等で形成する。
【００７５】
＜駆動方法＞
以上の第１例または第２例を適用して得られた第２実施形態の半導体装置１ｂの駆動方法は、第１実施形態の半導体装置と同様であり、磁場形成手段の存在下において駆動されることにより、その機能が発揮される。
【００７６】
以上説明した第２実施形態であっても、半導体薄膜７ｂに磁性微粒子ｓが導入されたことにより、半導体薄膜７ｂにおける導電性の制御に磁界Ｈが用いられようになる。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００７７】
尚、上述した各実施形態においては、半導体装置１ａ，１ｂとしてボトムゲート・トップコンタクト型の有機薄膜トランジスタを例示した。しかしながら、半導体装置が有機薄膜トランジスタである場合、その構成はボトムゲート・ボトムコンタクト型、トップゲート・ボトムコンタクト型、トップゲート・トップコンタクト型の何れであっても良い。また、半導体装置が有機薄膜トランジスタである場合に限定されることはなく、半導体薄膜を用いた構成に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】実施形態の半導体装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の半導体装置の特徴部である半導体薄膜の拡大断面図である。
【図３】第１実施形態の半導体薄膜の形成方法を示す工程図である。
【図４】第２実施形態の半導体装置の特徴部である半導体薄膜の拡大断面図である。
【図５】第２実施形態の半導体薄膜の形成方法（第１例）を示す工程図である。
【図６】第２実施形態の半導体薄膜の形成方法（第２例）を示す工程図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ａ，１ｂ…半導体装置、３…基板、７ａ，７ｂ…半導体薄膜、９ｓ…ソース電極、９ｂ…ドレイン電極、Ａ…非磁性微粒子、ｍ…有機分子、ｓ…磁性微粒子，ｓＡ…結合微粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性微粒子と、当該磁性微粒子に結合した有機分子とからなる
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項２】
請求項１記載の半導体薄膜において、
前記有機分子が有機半導体分子からなる
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項３】
請求項１記載の半導体薄膜において、
前記磁性微粒子と前記有機分子とが交互に結合してネットワークを構成している
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項４】
請求項１記載の半導体薄膜において、
前記磁性微粒子と共に非磁性微粒子が含有されている
ことをと特徴とする半導体薄膜。
【請求項５】
請求項４記載の半導体薄膜において、
前記磁性微粒子と前記非磁性微粒子とが結合している
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項６】
請求項４記載の半導体薄膜において、
前記非磁性微粒子は金属微粒子である
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項７】
請求項１記載の半導体薄膜において、
前記有機分子は、前記磁性微粒子と結合可能な官能基を１つのみ有し、
前記有機分子を結合させた前記磁性微粒子のそれぞれが独立した状態に保たれている
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項８】
基板表面に磁性微粒子を分散させた状態で固定する工程と、
有機分子を溶解させた溶媒に前記基板表面に分散せた前記磁性微粒子を晒し、当該磁性微粒子に当該有機分子を結合させる工程とを行う
ことを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項９】
請求項８記載の半導体薄膜の形成方法において、
前記基板表面に前記磁性微粒子と共に非磁性微粒子を分散させることにより、当該磁性微粒子と非磁性微粒子との結合微粒子を前記基板表面に固定した状態とし、
その後、前記有機分子を溶解させた溶媒に前記結合微粒子を晒すことにより、当該結合微粒子に当該有機分子を結合させる
ことを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項１０】
基板表面に非磁性微粒子を分散させた状態で固定する工程と、
有機分子と磁性微粒子とを含有する溶媒に前記基板表面に分散させた非磁性微粒子を晒すことにより、当該磁性微粒子と当該非磁性微粒子とを結合させた結合微粒子を形成すると共に、当該結合微粒子に前記有機分子を結合させる
ことを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項１１】
磁性微粒子と、当該磁性微粒子に結合した有機分子とからなる半導体薄膜を用いて構成された
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の半導体装置において、
前記半導体薄膜における導電性が磁界によって制御されるように構成された
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の半導体装置において、
前記半導体薄膜における導電性が、磁界と共に電界によって制御されるように構成された
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１１記載の半導体装置において、
前記半導体薄膜に接して設けられたソース電極およびドレイン電極を備え、当該ソース電極とドレイン電極との間の前記半導体薄膜部分がチャネル領域として用いられる
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１】
磁性微粒子と、当該磁性微粒子に結合した有機分子とからなる
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項２】
請求項１記載の半導体薄膜において、
前記有機分子が有機半導体分子からなる
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項３】
請求項１記載の半導体薄膜において、
前記磁性微粒子と前記有機分子とが交互に結合してネットワークを構成している
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項４】
請求項１記載の半導体薄膜において、
前記磁性微粒子と共に非磁性微粒子が含有されている
ことをと特徴とする半導体薄膜。
【請求項５】
請求項４記載の半導体薄膜において、
前記磁性微粒子と前記非磁性微粒子とが結合している
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項６】
請求項４記載の半導体薄膜において、
前記非磁性微粒子は金属微粒子である
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項７】
請求項１記載の半導体薄膜において、
前記有機分子は、前記磁性微粒子と結合可能な官能基を１つのみ有し、
前記有機分子を結合させた前記磁性微粒子のそれぞれが独立した状態に保たれている
ことを特徴とする半導体薄膜。
【請求項８】
基板表面に磁性微粒子を分散させた状態で固定する工程と、
有機分子を溶解させた溶媒に前記基板表面に分散せた前記磁性微粒子を晒し、当該磁性微粒子に当該有機分子を結合させる工程とを行う
ことを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項９】
請求項８記載の半導体薄膜の形成方法において、
前記基板表面に前記磁性微粒子と共に非磁性微粒子を分散させることにより、当該磁性微粒子と非磁性微粒子との結合微粒子を前記基板表面に固定した状態とし、
その後、前記有機分子を溶解させた溶媒に前記結合微粒子を晒すことにより、当該結合微粒子に当該有機分子を結合させる
ことを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項１０】
基板表面に非磁性微粒子を分散させた状態で固定する工程と、
有機分子と磁性微粒子とを含有する溶媒に前記基板表面に分散させた非磁性微粒子を晒すことにより、当該磁性微粒子と当該非磁性微粒子とを結合させた結合微粒子を形成すると共に、当該結合微粒子に前記有機分子を結合させる
ことを特徴とする半導体薄膜の形成方法。
【請求項１１】
磁性微粒子と、当該磁性微粒子に結合した有機分子とからなる半導体薄膜を用いて構成された
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の半導体装置において、
前記半導体薄膜における導電性が磁界によって制御されるように構成された
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の半導体装置において、
前記半導体薄膜における導電性が、磁界と共に電界によって制御されるように構成された
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
請求項１１記載の半導体装置において、
前記半導体薄膜に接して設けられたソース電極およびドレイン電極を備え、当該ソース電極とドレイン電極との間の前記半導体薄膜部分がチャネル領域として用いられる
ことを特徴とする半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−３４５７７（Ｐ２００８−３４５７７Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０５５３０（Ｐ２００６−２０５５３０）
【出願日】平成１８年７月２８日（２００６．７．２８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２８日（２００６．７．２８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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